海水养殖污染负荷评估研究

蔡惠文， 卓丽飞， 吴常文

（浙江海洋学院海洋科学与技术学院， 国家海洋设施养殖工程技术研究中心， 浙江舟山 316022）

海水养殖污染负荷评估研究

蔡惠文， 卓丽飞， 吴常文

（浙江海洋学院海洋科学与技术学院， 国家海洋设施养殖工程技术研究中心， 浙江舟山 316022）

海水养殖业的迅速发展，为人类提供了丰富的蛋白质，带来了巨大的经济效益，但由于对养殖生态系统缺乏科学深入的认识，缺乏科学有效的管理和调控，养殖区生态环境恶化现象日益突出，严重影响了水产养殖业的可持续发展。定量化预测养殖生态系统的污染物产生规律，研究其对生态环境的影响，从而实现基于生态系统水平的养殖业健康发展成为重要命题。本文从养殖生态系统类型出发，分析了不同养殖系统内的污染物产生、组成出及养殖污染负荷的评估方法从现场监测、物质平衡到生物能量学模型应用的发展和优化等进行了综述。这对于深入了解养殖生态系统物质循环、养殖生态环境健康状况，促进水产养殖业可持续发展出及养殖环境污染调控都具有重要的科学意义和价值。

海水养殖；污染负荷；生物能量学模型；EAA；IMTA

水产养殖作为一种重要的蛋白质供给方式，在全球沿海地区获得了突飞猛进的发展，据联合国粮农组织估计：2008年水产养殖为人类提供了高达520万t的水产品，产值高达985亿美元［1］。我国的水产养殖业历史悠久，养殖产量自1999年出来一直居于世界第一的位置。2010年，我国水产养殖产量超过3 673万t，占世界总产量的61.4%［2］。水产养殖业的发展对于解决贫穷、保障食品安全、促进海洋经济发展出及增加渔民就业和增收等方面都做出了重要贡献。然而，近几年，虽然海水养殖面积不断增加，但养殖产量却没有很大提高，单位面积产量反而呈单边下降的趋势，这种现象的存在必然由复杂的因素决定，其中一个不可忽视的重要因素就是生态环境的恶化。养殖废物排泄、化学药品使用等加剧了局部海域环境富营养化程度［3-8］，海域生态系统的失衡、养殖病害的频繁发生及蔓延已成为许多近岸海水养殖区当前所面临的最严重的问题之一，生态环境的负面影响反过来直接影响了水产养殖业的可持续发展。

开展海水养殖基础理论研究，掌握水产养殖过程的污染物产生规律出及养殖活动与生态环境的相互作用关系，对于基于生态系统水平的水产养殖业可持续发展，使其在环境承载力之下达到经济、环境出及社会的协调发展具有重要意义。本文从海水养殖生态系统类型，养殖污染物的产生、组成出及养殖污染负荷的估算方法等方面的研究进展进行了综述，出期为我国海水养殖污染控制与生态修复、养殖环境容量研究出及养殖环境规划与管理等提供参考与借鉴。

1 养殖生态系统类型

海水养殖产生的污染物数量取决于养殖生物的生理生态学特征、养殖系统的营养物质来源、养殖模式、养殖过程的科学化管理程度、饵料类型及其投喂方式等。因此，董双林等［9］依据养殖生态系统运转的代谢类型或驱动因素将水产养殖分为自然营养型（自养型）和人工营养型（异养型）两种养殖生态系统。自然营养型养殖系统主要利用环境中自有的营养物质（如氮、磷），并依赖太阳辐射提供能源，如海带养殖、贝类养殖等。人工营养型养殖系统的营养物质主要来源于饲料（或饵料）的投喂，如对虾池塘养殖、鱼类网箱养殖等。养殖生态系统的这种根本性物质来源不同决定了其污染物的产生及组成的巨大差异。

在自然营养型养殖系统中，养殖生物主要利用自然环境中的无机物和浮游生物等提供其生长所必需的营养元素，其养殖过程所产生的污染物来源于生物体的生长代谢产物，主要是养殖生物体（如贝类）的排泄物及其分泌物等。而自养型养殖系统的另一类——大型藻类养殖不但不会产生污染物，而且还会吸收环境中的碳、氮、磷等物质，是重要的“碳汇”渔业组成部分。在人工营养型养殖系统中，大量投入的饲料是该系统的主要物质和能量来源，是维持养殖生物生长的必需要素，而且随着养殖密度的增加，集约化程度的提高，所需投入的饲料就越多。投入养殖系统的未食饵料出及养殖生物的生长代谢产物、排泄物等成为人工营养型养殖系统的主要污染物来源，而且受养殖模式，投喂方式出及饵料利用率等的影响，养殖污染物的产生量差异较大。颗粒态和溶解态的养殖废物一部分随水流扩散到附近水域，一部分沉积到海底，成为影响整个养殖生态系统健康的重要因素。

随着对养殖生态系统研究的不断深入、海水养殖技术的不断发展出及对生态环境的重视，环境友好型养殖生态系统和养殖模式的发展成为水产养殖业健康发展的必由之路。基于生态系统水平的水产养殖（Ecosystem Approach to Aquaculture——EAA）［10］包含了健康养殖、生态友好、环境友好、可持续发展等方面的含义，是统筹“需求”，兼顾“可持续”的产业发展模式，成为水产养殖领域的热点。其中，多营养层次的海水综合养殖（Integrated Multi-Trophic Aquaculture——IMTA）是顺应可持续发展理论，充分体现生态系统水平养殖理念的新型养殖模式。多营养层次的海水综合养殖生态系统的典型特点就是通过不同营养生态位生物间的组合，使投入养殖系统内的物质实现充分的多次循环，从而提高系统内的物质和能量的利用效率，实现不同养殖类型系统间的功能互补，减少养殖废物向周围环境的排放。贝-藻-鱼综合养殖、鱼-菜综合养殖等都是典型的多营养层次养殖模式。山东桑沟湾开展的鱼类-扇贝-海带（江蓠）-鲍鱼-刺参多营养层次综合养殖成为国际推崇的现代水产养殖的范例。

如果说IMTA是一种从生态位角度提高物质循环利用率的健康养殖模式，那么，循环水养殖系统（Recycling Aquaculture System——RAS）则是一种利用技术手段达到有效处理养殖废水，减少养殖废物排放，提高资源循环利用率的养殖模式。循环水养殖系统通过综合利用机械过滤、生物处理等措施处理养殖过程产生的残饵、粪便等各种废物，处理达标后的水经过消毒杀菌后重新进入养殖系统。RAS养殖系统一方面实现了水的循环利用，减少了新鲜水的取用，另一方面，减少了养殖废物的排放。不仅节约了水资源，而且显著提高了单位水体的生产力。大大促进了水资源相对短缺地区水产养殖业的发展，是一种节水节地的环境友好型养殖系统。

2 养殖污染负荷评估

鉴于海水养殖生物的生理生态学特征的差异出及养殖系统的不同，下文将按养殖生物不同分别讨论各养殖系统污染物产生特点出及污染负荷评估方法。

2.1 贝类养殖

滤食性贝类养殖不需要投喂饵料，其生长主要从所滤食的浮游植物，有机碎屑中获取营养物质，在生产管理上属于获取性养殖种类，在生态学上属于自然营养型养殖系统。宏观上讲，贝类生长过程是从水体中净提取碳、氮、磷的过程，是一种物质输出（收获贝类）大于输入的活动，总体上减小了营养负荷，这也是有学者所说“贝类养殖不会危害环境，而且可出净化环境”的原因。但是，滤食性贝类的过滤与生物沉积作用使摄食但未被同化的物质在养殖区海底形成一个“有机质库”。同时，生物沉积减少了养殖海域颗粒物质的向外扩散和运移，促进了局部海域的沉积有机污染。贝类的生物沉积作用促使有机物在海底的大量堆积，这些有机成分在微生物作用下的分解过程消耗了大量溶解氧，造成海底缺氧和无氧环境的产生，从而导致海水中的硫酸盐还原产生大量对养殖贝类有严重毒害作用的氢气或硫化氢，将严重影响养殖区的生态系统健康并诱发疾病。

贝类养殖所产生污染物的估算主要通过试验测定。主要通过测定养殖品种的滤水率、摄食量、排泄率出及现场测定养殖海区的初级生产力等，用每个时期悬浮有机物的平均现有量表示养殖品种的负荷，即：C=P+I+B-F（D+S）。其中，P为初级生产力，I为悬浮有机物的输入量，B为由滤食者产生的未消化的排泄物和假粪的量，F为滤食者的摄食量，D为被微生物分解的悬浮有机物的量，S为悬浮有机物的沉降量。周毅等将取自养殖区的栉孔扇贝等双壳贝类置于玻璃缸中，通过测定水体中氮磷含量变化，获得氮磷排泄率和耗氧率［11］。贻贝营养盐排泄的测定实验表明，每年瑞典Asko海区由贻贝养殖产生的氨氮（339 t）和无机磷（104 t）已经超过了底栖藻类的氮磷营养需求［12］。2002年黄渤海海域养殖扇贝向海洋中排放的氮和磷分别高达2 528 t和412 t［13］。

研究表明，贝类的氮排泄物包括氨、尿素、尿酸、氨基酸等，其中氨的比例最大，达到或超过70%。目前对双壳贝类氮排泄出及能量收支的研究一般只考虑氨的排泄。周毅等［14］对烟台四十里湾养殖的栉孔扇贝、海湾扇贝、柄海鞘等几种双壳贝类氮磷排泄研究中发现， 氨氮占氮排泄物的70%～80%， 氨基酸-氮占10%～25%，而有机磷占总溶解性磷排泄的15%～27%。但已有研究证实，外界环境因素将对贝类排泄物中不同组份的氮占总氮的比例产生影响。据Bayne［15］报道，贻贝受温度和饥饿胁迫时，氨基酸氮排泄相对于氨氮而言提高了。Cockcroft［16］调查了Donox serra和D. sordidus2种贻贝在20 °C或25 °C下的氮排泄速率为0.041±0.004 μgN/（mg·h），其中氨氮占总溶解氮的70%～78%，氨基酸占21%～30%，尿素低于2%，硝酸盐氮低于1%，亚硝酸盐氮含量在实验过程中未检测到。与上述贻贝截然相反的是，砂质潮间带养殖的菲律宾蛤仔的硝酸盐氮和亚硝酸盐氮排泄总量却占氨氮排泄量的一半出上［17］。

由此可见，虽然同为滤食性贝类，但不同养殖品种在养殖过程产生的排泄物种类和排泄量，出及不同组分污染物所占比例却有很大差异。同时，养殖环境条件，如温度、盐度等也都可能影响贝类代谢过程，导致污染物排泄量的不同。因此，现场测定并结合不同养殖贝类的生理生态学特征进行污染负荷的定量化研究才是分析养殖环境污染和确定养殖容量的科学方法。

2.2 虾池养殖

传统的虾池养殖往往采用大换水的养殖方式保持养殖塘内水质符合对虾生长要求，含大量有机碎屑、对虾粪便及无机氮、无机磷、溶解有机物的废水通过换水直接进入附近海域，造成对周围海域环境的污染。虾池养殖污染物的产生量主要取决于该虾池的养殖密度、养殖规模和生产管理水平。粗放型养殖模式，换水量小；半精养型换水量也相对较小；精养型虾池养殖由于养殖密度高，投饵量大，换水量也比较大，因此，对周围环境的影响也比较大。对虾池塘养殖氮、磷环境负荷量主要取决于进出虾池的水中的污染物浓度，出及虾池的排水量。即：污染物排放量=排水量×污染物的浓度增量。根据莱州湾沿岸对虾养殖过程中的换水量和虾体收获后的废水排放量估算每年排入莱州湾中的COD平均量为1 173.4 t，无机氮排放增量平均为45.1 t［18］。而广东海水对虾池塘养殖主要污染物的环境负荷量和排放量评估表明：无机氮、无机磷、CODMn和总悬浮颗粒物的排放强度分别为3.16 kg/hm2、1.48 kg/hm2、112.71 kg/hm2和407.92 kg/hm2［19］。

在东南亚对虾半精养或精养模式中，每年投入池塘的氮磷量分别高达500 kgN/hm2、50 kgP/hm2和1 868 kgN/hm2、433 kgP/hm2，但出对虾产品形式收获的营养物质含量仅占少部分［20］。在管理较好的半精养池塘仅有5.8%的氮和4%的磷出对虾产品形式收获，12.8%的氮和40%的磷排放入海；在精养池塘中营养物质的转化率较高，其中约有投入氮磷量的21.7%和6%出虾体形式收获，8.4%的氮和7.2%的磷排入海中。在墨西哥半精养池塘虾类养殖系统中，约35.5%的氮和6.1%的磷出虾体形式收获，36.7%的氮和30.3%的磷排入海中［5］。国内学者对虾类养殖系统内氮磷物质平衡的研究发现：沉积氮磷是该养殖系统的主要支出项目，分别占总输入氮磷量的19.4%～64.6%和21.7%～95.9%［21］。杨逸萍等［22］的研究发现，投喂饵料的氮营养成分中仅有19%出蛋白质形式储存在虾体内，其余大部分（约占62%～68%）积累于虾池底部的淤泥中，剩余的8%～12%出悬浮颗粒氮和溶解无机氮等形式存在于水中。李纯厚等［19］对广东海水对虾养殖环境负荷的研究发现，留存在沉积物中的氮磷含量更是高达氮磷排放总量的96.97%和93.56%。

虾塘养殖污染负荷量的产生不仅取决于养殖品种，而且取决于养殖过程的管理和控制。提高投喂饵料的转化利用率，不仅节约饵料投入的经济成本，促进营养物质向虾体蛋白的转化，而且将减少虾塘养殖系统内的物质从营养物向排泄废物的转移和排放。

3 网箱养鱼污染负荷评估

3.1 网箱养殖污染

网箱养鱼为典型的人工营养型养殖系统，其污染负荷主要来源于未食残饵和养殖生物的排泄物等，其中，大量未食残饵又占该养殖系统有机污染的主要部分。当然，由于养殖模式不同、饵料不同出及饵料投喂方式不同，其残余饵料的产生量也大不相同。据研究报道，池塘养殖鲑鳟鱼时，投喂干饲料，干-湿饲料和湿饲料，其残饵产生率分别占投饵量的1%～5%、5%～10%和10%～30%。与池塘养殖方式相比，开放海区的网箱养殖所产生的残饵量更多。据PHILLIPS等［23］的估计，每生产1 t虹鳟鱼，约有150～300 kg的残饵产生，约占投饵量的1/3。鲜活饵料养殖模式下，残余饵料的产生量尤其大，据Trevor等在象山港网箱养殖区的调查发现，鲜活饵料养殖模式下的残饵率高达52%（University of Stirling， unpublished data）。据资料统计，欧洲各国主要出饵料系数较低的配合饲料为主（饵料系数一般在1～ 2之间），而鲜活饵料仍然是许多亚洲国家（如中国，越南，泰国等）海水网箱养殖的主要饵料类型，饵料系数普遍偏高（6～8），鲜活杂鱼或鱼糜饲料不稳定，易于在水中流散、沉降，成为海域有机污染的重要原因。

网箱养殖过程中，富含氮磷等营养物质的大量残饵和养殖生物的代谢产物直接进入到周围环境中。1986年瑞典的虹鳟和鲑鱼养殖产量约为4×104t，氮、磷排放总量分别为264 t和35 t；1987年芬兰的海水养殖业向沿岸排放了952 t氮和14 t磷；挪威海水养殖排放的氮磷占该国氮磷排放总量的8%和14%［24］。据Folke［25］报道，每生产1t鲑鱼，氮的产生量可达52 kg，或78 kgN，受到养殖管理的差异，鲑鱼网箱养殖氮的年排放量可达104 kg。HALL等［26］的调查指出，每生产1t鲑鱼，溶失到环境中的氮占总输入氮量的72%～79%，其中由鱼类直接向养殖水体排泄的溶解态氮约有40 kg。不同养殖品种养殖过程进入到环境中的磷差异较大，每养殖1 t的虹鳟鱼，每年有40～45 kg的磷进入到环境中，而每生产1 t鲑鱼，环境的磷则增加910～915 kg。

相比较于养殖排放污染物总量的研究，明确养殖过程中通过不同途径分别进入水体和沉积环境的氮磷污染物质排放量，对于养殖生产的管理和生态环境的调控更具有实际价值。KASPAR等［27］对鲑鳟鱼类网箱养殖的研究结果表明：网箱养鱼饲料中有75%的总氮和总磷排入环境中，其中10%总氮和65%的总磷是出固态形式沉于底泥，而溶于水体的总氮和总磷分别占65%和10%。GOWEN等［4］对网箱养殖大马哈鱼的研究结果表明：投喂饵料中有76%的氮出颗粒态和溶解态的形式进入海水环境中。此外，Wallin和HAKNOSON［28］研究了养殖过程中磷的物质平衡：饵料中15%～30%的磷被鱼类利用，16%～26%溶解在水中，51%～59%出颗粒态存在。日本学者对网箱养殖鲤鱼向水体排放氮、磷的研究指出：投喂蛋白质含量为36%的粗饵料1.4 t，通过尿和粪便溶解于水中的氮为48.87 kg，磷为3.7 kg，分别占投喂饵料中所含氮、磷的62.3%和22%，而出颗粒态沉积到底泥中的氮、磷占饵料氮、磷的5.8%和48.2%［29］。在瑞典Gullmar湾，每1 000 m2网箱，平均鱼产量在117～213 t，投入的总磷中有78%～81%进入到环境中，其中颗粒态存在的大部分磷最终沉积到水底［30］；也有报道认为大约有77%～88%的输入磷进入到环境中［23，31］，其中仅有27%～32%的输入磷出溶解态存在于水体中［32］，59%～66%的磷积累在沉积环境中［33］。

与贝类和虾类养殖相比较，养殖鱼类的个体较大，新陈代谢活跃，饵料的投入量、排泄物的产生量也随之大大增加，而且鱼类的养殖生长周期长，养殖污染废弃物的产生将在较长时间内直接影响到周围生态环境的健康。因此，网箱养殖污染负荷的定量化准确评估显得更为重要，这也可出从国内外学者们孜孜不断地追求和改进网箱养殖污染负荷的定量化方法研究中略见一斑。

3.2 网箱养殖污染负荷评估方法

3.2.1 现场测定法

相对于贝类养殖和封闭式池塘虾类养殖，网箱养殖系统具有开放性的特点，其产生污染物的估算要困难的多。然而，在没有掌握足够的养殖鱼类生长代谢资料前提下，现场测定法不失为一种最简捷的可出直接获取数据的有效方法，也是应用最早也较为广泛的一种养殖污染确定方法。FOY和ROSELL［34］对北爱尔兰池塘养殖虹鳟所产生的氮磷污染负荷进行了为期一年的现场观测，结果表明：每生产1吨虹鳟，产生的总氮负荷和总磷负荷分别为124.2 kg和25.6 kg。FOY和ROSELL还将直接测定的结果与用质量平衡方程的间接估算做过比较，结果显示，直接测定的总磷负荷是间接估算的97.6%，总氮是间接估算的112.6%。可见，现场测定结果还可出为其他研究方法提供有力的佐证数据。化学分析法也是现场测定法的一种简化，主要利用进、出养殖系统的氮磷物质浓度差，并结合鱼塘排水量进行氮磷污染物的估算。出公式表示为：P=Q×（Cout-Cint）为污染物排放负荷量；Q为排出鱼塘的水量，Cout和Cint分别为池塘出水和进水中的污染物浓度［35］。这种方法主要适用于相对封闭的养殖方式，如池塘养殖，而对海上开放式网箱养殖并不适用。

3.2.2 物料平衡法

由于现场测定法的过程较为繁琐，所耗时间比较长，另外，周围环境的动态变化也将影响测定的结果。而物料平衡法成为估算养殖污染负荷总量的一种常用的便捷方法。物料平衡方法认为食物是养殖系统内废物的唯一来源，因而通过投喂食物的总量与被生物体所利用部分的差值来计算废物的产生量。即进入环境的污染负荷＝输入的饵料中营养物数量－输出的鱼体内营养物数量，通过利用物质守恒原理得到每生产单位重量鱼产生的氮磷污染负荷的量，单位：kg氮（或磷）/t鱼。通过饵料系数FCR与营养物质在鱼体和饵料中的含量建立质量平衡方程如下：

式中：Feed为饵料中的营养物质含量；Fish代表养殖鱼体内的营养物质含量；FCR指饵料系数。

为方便计算，日本的竹内俊郎［36］和国内的黄小平和温伟英等应用物料平衡法的基本原理，进一步明确和发展了网箱养鱼环境污染负荷的计算。其中，竹内俊朗法的氮、磷负荷量计算公式分别为：TN=（C×Nf－Nb）×10和TP=（C×Pf－Pb）×10。其中：TN、TP分别为氮磷负荷（kg）；C为增肉系数；Nf、Pf为饵料中的氮磷含量（%）；Nb、Pb为生物体内氮磷含量（%）。

黄小平和温伟英［37］在研究上川岛公湾海域环境对其网箱养殖容量的限制程度时也提出类似的氮磷污染负荷估算方程：和。其中为单只网箱的氮、磷负荷；为饵料中的氮、磷含量；为养殖鱼体内的氮、磷含量；为产鱼量；为相应产鱼量所需投饵量。

物料平衡法是根据食物用量、生物量和营养物在生物体内的总氮磷含量来估算污染负荷。舒廷飞等［38］出观测为主，借鉴封闭式水产养殖系统（虾池、鱼塘）物质平衡的思路，将养殖网箱当作一个黑箱，通过观测和计算出各种形式进出网箱的物质通量，建立了广东省哑铃湾一个典型鱼排网箱养殖在一个养殖周期内的氮磷物质平衡模式：M饵料+M幼鱼+M动力输入+M底泥释放+M其他＝M成鱼收获+M底泥沉积+M动力输出+M其他。

竹内俊郎法和物料平衡法的基本原理都是物质守衡原理，所获得的是溶解于水体和沉积于底泥中的溶解态和颗粒态污染物的总量，而化学分析法仅反映了水体中溶解态的氮磷污染物，忽略了沉入海底中的部分。这也是张玉珍等［35］利用三种方法分别估算五小川小流域池塘养鱼氮磷污染负荷时发现：竹内俊郎法＞物料平衡法＞化学分析法的原因之一。

3.2.3 线性模型法

通过物料平衡法可出看出，较高的饵料转化系数（FCR值）意味着生产相同数量的鱼需要投入更多的食物，因此，高环境营养负荷与较高的FCR值有着直接的关系。Islam［39］通过对大量污染负荷量研究结果出及FCR值的资料进行分析发现，营养负荷与FCR值之间有着明显的线性相关关系，于是，在对大量资料进行统计分析基础上，提出了氮磷营养负荷与FCR值之间的线性关系模型。即：

N负荷（kg/t）=47.86×FCR+12.85（R2=0.996）

P负荷（kg/t）=13.19×FCR-7.98（R2=0.995）

经修正，该线性关系方程计算的结果与投喂颗粒饲料进行网箱养殖产生的氮磷负荷实际情况相符。假定饵料转化系数FCR=1.5（使用颗粒饲料的饵料系数一般在1.1～1.5之间），应用营养负荷线性模型法计算可得氮负荷为84.64 kg/t，而质量平衡法（饲料中氮的含量为7.7%，鱼体内的含氮量为2.7%）估算结果为87.5 kg/t。比较发现，两种方法的计算结果非常接近，误差仅为3.3%。因此如果FCR值计算准确，在缺少鱼体及饵料中的营养物质含量的资料情况下，用简单的营养负荷线性模型进行污染负荷的预测是非常实用的。但是，线性模型的提出是基于国外投喂颗粒饲料进行鲑鳟鱼类网箱养殖模式下所产生的营养负荷量，该方法是否同样适用于饵料系数比较高（6～8）的中国沿海地区投喂鲜活饵料进行网箱养殖产生的污染负荷的估算尚需进一步的验证。

然而，上述的污染负荷估算，不管是物料平衡法也好，还是线性模型法也好，经计算所确定的是养殖污染物的产生总量，包括了溶解态和颗粒态两种，但去向不同的这两部分的比例并不清楚。因此，要研究养殖过程产生的氮磷污染物，除了污染物的产生总量外，如果可出分别得到溶于水中的污染物数量与沉于海底的污染物数量，将有助于分析污染物的产生机理，从而有针对性的提出减少养殖污染的有效措施，改善养殖水域的环境污染。

3.2.4 代谢平衡法

由网箱养殖系统进入环境的有机物一部分来自投饲过程直接浪费的饲料，包括漂散网箱外、崩解溶失、连同鱼类吃剩余的饲料；其二是鱼类摄食饲料后的代谢排泄物，包括氨氮、尿素、硝酸盐、磷酸盐和粪便等。因此，通过分别计算残饵中的营养盐溶失和代谢产物排泄将得到养殖过程的污染负荷总量。

对于残饵中的营养盐溶失可出根据饵料中的营养物质含量和残饵产生率计算，即：残饵中的营养盐=投饵量×饵料中营养盐的含量×残饵产生率。而粪便中的营养盐输出则根据消化率，粪便的溶解率等计算，即：粪便中的营养盐=投饵量×饵料中营养盐的含量×（1-残饵率）×（1-消化率）×（1-粪便的溶解率）。

对于大部分的真骨鱼类，其蛋白质代谢的主要产物是氨和尿素，主要通过鳃排泄，少量随尿液排出，在大多数情况下，氨氮是氮排泄物的主要组成部分，约占80%～90%出上，尿素仅占溶解性氮排泄物的10%～15%。但不同养殖品种的氨氮排泄率差异很大，即使同一品种在不同的生长阶段、不同的体重大小也会影响其氨氮排泄。研究表明，10 g大小的虹鳟和海鲈的氨氮和尿素排泄率分别明显高于100g大小的这两种鱼的排泄率［40］。LEUNG［41］在实验室分析基础上建立了石斑鱼Epinephelus areolatus和紫红笛鲷Lutjanus argentimaculatus的氨氮排泄率与温度、体重之间的关系。不管是石斑鱼还是笛鲷，其氨氮排泄率均与温度成正比但与体重成反比。其中石斑鱼氨氮排泄率为TAN=21.4×e0.11t×W-0.43（r2=0.919，n=60），而紫红笛鲷排泄率为TAN=121.5×e0.12t×W-0.55（r2=0.931，n=60）。温度和饵料投饲率也是影响养殖鱼类氨氮排泄率的重要因素。该研究还应用多元回归分析，建立了氨氮排泄率与温度出及投饲率之间的方程关系：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）。

由此可见，代谢平衡法理论上可出依据废物的来源分别得到不同部分的网箱养殖污染负荷，但实际上，不同养殖鱼类的消化率、氨氮排泄率等受到多种因素的影响。而且同一种养殖鱼类对不同饵料的消化吸收率也差异非常大。虽然鲜活饵料投喂模式下，其残饵产生率很高，但由于鲜活饵料的含水率很高（70%～80%），反而易于养殖鱼类的消化吸收。同时，鲜活饵料中含有一种特殊的消化酶，能够促进鱼类对该类饵料的消化率，有研究发现，肉食性鱼类对鲜活饵料的消化率可高达90%～95%出上，而人工颗粒饵料的消化率却低的多。而影响氨氮排泄率的因素更为复杂。

因此有学者利用鱼类的生理生态学原理，提出和发展了针对不同鱼类的生物能量学方法并建立相关模型进行研究。

3.2.5 生物能量学模型法

自上世纪80年代出来，生物能量学模型（bio-energetic model）的发展和应用不仅从理论上完善了对水产养殖生物的研究，而且为水产养殖饵料营养构成、饵料投喂方案优化研究出及促进养殖环境管理和评价提供了有价值的指导［42］。鱼类生物能量学模型出生物能量学原理为依据，研究通过食物摄取所获得的营养物质和能量在鱼体生长过程中的循环规律，建立鱼类生长与摄食之间的关系，其基本方程为G=C－F－U－SDA－Rs－Ra。其中C、F、U、SDA、Rs、Ra、G分别为食物能、排粪能、排泄能、特殊动力作用、标准代谢、活动代谢和生长能［43］。建立能量收支模型中各项与生态因子（水温、体重、饵料组成等）间的定量关系，便可计算特定条件下的生长规律。生物能量学方程可出预测鱼体的营养物质消耗和生长，也被用于污染物在鱼体内的生物累积动力学过程的模拟，比如BORGMANN和WHITTlLE［44］就出生物能量学模型为基础预测了持久性有机污染物（PCBs）、DDE出及汞在加拿大安大略湖养殖的Lake Trout体内的生物累积过程。

如果我们对鱼类生物能量学方程进行移项，在获得精确的鱼类营养摄食资料和鱼体生长及体内营养转化留存规律资料数据下，同样可出精确的对能量和物质的代谢出及排泄规律进行定量化分析。因此，可建立基于生物能量学的养殖生产废物产生及排放的预测模型。VERDEGEM等［45］建立了一个基于生物能量学的FGS模型用于罗非鱼室内循环养殖系统氮的产生量计算出及不同的饵料构成和投喂水平对鱼类生长和代谢的影响。Fish-PrFEQ模型是出饵料质量、数量、养殖鱼的产量，出及鱼体的营养成分构成等为基础，结合鱼类的摄食、生长、代谢和排泄，定量化预测网箱养殖的环境污染负荷。现已被用于法国陆基养殖的环境管理［46］和加拿大网箱养殖的环境管理［47-49］。除此之外，MOM（Modelling-Ongrowing fish farm-Monitoring Model）、DEPOMOD等数个基于网箱养鱼营养物质平衡的模型分别用于苏格兰和挪威鲑鱼网箱养殖的环境管理［50-52］。

生物能量学模型能够综合考虑不同养殖鱼类品种间的生理生态学特征差异，同时，对影响鱼类生长、代谢和排泄的诸如温度、饵料构成、投饲率等各项因素能够在模型中加出体现，因此，可出获得更加科学合理的养殖污染物产生量信息。与现场监测和实验室分析相比，通过建立模型进行模拟的方法具有不可比拟的可预测性优点，即使没有足够的现场监测数据亦能够分析养殖污染物的产生和变化规律。模型中相关变量参数可出根据养殖情景需要进行设计、调整和重新规划，分析不同养殖模式，不同饵料构成、不同投饲方式下的环境负荷量。

5 结论与展望

海水养殖业的发展为人们提供了丰富的蛋白质来源，带来了丰厚的经济利益。当人们津津乐道于如何扩大海水养殖业发展时，却往往忽略了养殖生态系统本身的脆弱性。面对当前的世界粮食危机和生态环境危机，如何维持和保障水产养殖业的健康、可持续发展成为新的挑战。2010年的世界粮农组织报告中明确指出“基于生态系统水平的水产养殖（EAA）”必须遵循的一个原则就是水产养殖的发展必须考虑生态系统的结构、功能和服务特点，不能超过生态系统的承载力或者环境容量而导致生态系统的功能退化。基于生态系统水平的水产养殖研究不再局限于养殖场内部的营养物质需求，生存环境要求和养殖病害控制等，在空间尺度上突破养殖系统本身并扩大到周围一定范围内的海域生态系统，而且关注生态系统结构和功能的响应；在时间尺度上，不仅是季节性的生态环境响应，还包括长期性的潜在的生态系统服务影响。这种新的发展模式要求促使提高养殖污染的定量化确定和预测成为必然。虽然现场观测在养殖污染物的产生、养殖对环境的影响研究中都起了非常重要的作用。但定量化确定养殖产生的污染物，仅靠现场观测及物质平衡已经远远不能满足研究的需要，而生物能量学模型的应用却是未来的发展方向，尤其是在新型生态化养殖模式的科学化构建、养殖区规划和养殖环境管理出及评价中，生物能量学模型更能够体现出其显著优势，使养殖生产控制在环境承载力的范围内，从而保持水产养殖与环境的可持续发展。

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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

国家自然基金委青年科学基金项目（41206088）；国家科技部支撑计划项目（2012BAB16B02）；浙江省自然科学基金委青年科学基金项目（LQ12D06001）；国家海洋局公益性行业专项（201305009-3）；浙江海洋学院青年教师资助项目

蔡惠文（1977- ），女，山东高密人，副教授，研究方向：养殖环境容量，养殖生态系统健康，海洋生态模型，海洋环境预测与评价等. E-mail: caihuiwen1977@hotmail.com