中国北方南美白对虾不同养殖模式环境影响生命周期评价

陈丽娇,杨怀宇,张静怡,孙 琛

(上海海洋大学经济管理学院,上海 201306)

水产养殖业的快速发展一方面保障了粮食和营养安全,另一方面不可避免地产生了一系列的环境问题,例如富营养化、酸化、鱼粉稀缺等[1-3]。为实现水产养殖业健康绿色发展,水产养殖业的环境影响评估十分必要[4]。生命周期评价方法能系统评价研究对象在各个环节对环境的影响,评估更全面,优势更明显[5]。环境生命周期评价方法首先开始于工业企业,近几年来,水产养殖业的环境生命周期评价极受重视。目前国外相关研究主要集中在3个方面:(1)不同养殖模式的环境生命周期比较研究,例如集约型、半集约型和粗放型模式环境影响比较[6-7]，开放循环系统和封闭循环系统对环境的影响[7-10]，单养模式和混养模式对环境的影响[11]。(2)不同水产养殖生物的环境生命周期分析。目前水产养殖环境生命周期分析的主要品种为鱼类,虾和贝类养殖也有一定研究,但主要集中在高价值品种,例如鲑鱼(Oncorhynchustschawytscha)[7,9,12]、虹鳟鱼(Oncorhynchusmykiss)[10,13-14]、花鲈(Lateolabraxjaponicus)[13]、大菱鲆 (Scophthalmusmaximus)[13]、尼罗罗非鱼(Oreochromisniloticus)[7]、罗氏沼虾(Macrobrachiumrosenbergii)[5,15]和贻贝 (MytilusGalloprovincialis)[16]等经济价值较高的物种。(3)目前水产养殖环境生命周期分析较重视气候变化、酸化和富营养化这3类环境影响指标[14]。

国内也逐渐开展了水产养殖环境生命周期评价的研究。例如李君等[17]进行了海洋贝类利用模式的生命周期评价研究。CAO等[5]对中国海南对虾集约与半集约型养殖模式进行了对比研究。王国栋[18]选取中国北方同一区域中3种不同集约化水平的刺参养殖模式进行生命周期评价。陈中祥等[19]运用生命周期方法对虹鳟的3种养殖模式(网箱养殖、工厂化流水养殖和工厂化循环水养殖)的环境影响进行了比较。

笔者以我国北方沿海城市山东省日照市为调查点,对不同集约水平的南美白对虾养殖模式进行环境生命周期评价,量化比较不同养殖模式下及不同养殖阶段的环境影响。该研究不仅能为今后开展南美白对虾绿色健康生态养殖提供参考,也能为水产品标准化生产和水产养殖生态补偿政策提供依据,具有重要的应用价值。

1 研究方法

1.1 养殖模式

工厂化养殖均为大棚内水泥池养殖,一个棚中建有32个池子,每个池子面积为36 m2,深度为1.2 m。南美白对虾前期虾苗放养密度为500～600尾·m-2,养至60 d左右扩充至原来3倍左右大的池子继续养殖,直至成虾收获。每天投喂5次。24 h连续充氧。养殖用水由水泵抽取地下海水至养殖池。工厂化养殖数据来源于5个样本点。

池塘养殖大多建在距海5到10 km的近海海域,土池养殖,用充氧泵间歇性充氧,养殖用水由水泵抽取地下海水至养殖池。每个养殖池一般在0.024 hm2左右,水深约1.5 m,依赖自然温度养殖。池塘养殖数据来源于5个样本点。

1.2 数据的收集和处理

通过国家虾蟹产业技术体系调研完成数据收集,选取的样本点均为国家虾蟹产业技术体系定点观测点,所有物质和能量的投入以及相关生产数据由养殖从业者提供,排放数据由日照市海洋与渔业研究所提供,数据的采集和监测有较为严格的把控,样本点养殖户养殖技术处于行业中高水平。数据处理及环境生命周期建模采用eFootprint在线环境生命周期分析软件进行。

1.3 环境影响类型指标选取

参考国际标准化组织(International Organization for Standardization,ISO)、环境毒理学与化学学会(Society of Environmental Toxicology and Chemistry,SETAC)、美国环境保护局(United States Environmental Protection Agency,USEPA)等国际组织的观点[20]以及水产养殖业的实际情况,主要关注以下5种环境影响:气候变化(GWP)、初级能源消耗(PED)、水资源消耗(WU)、酸化(AP)和富营养化潜值(EP)[21](表1)。首先，气候变化和能源消耗是目前学界关注的重点;其次，水资源在中国北方是重要的限制性因素,富营养化也是水产养殖最受诟病的环境影响;第三,虽然水产养殖业的最终生产并不会排放SO2、NOx、NH3,但是在水产养殖投入品的生产和能源使用过程中可能有较多排放,所以在整个南美白对虾养殖生命周期中也考虑了酸化指标。

表1 环境影响指标类型Table 1 Types of environmental impact index

1.4 生命周期评价模型

南美白对虾生命周期评价模型采用eFootprint软件构建,数据库为中国生命周期基础数据库(CLCD),主要包括国内能源消耗、交通运输、原材料等的数据集清单。生命周期评价模型[17]计算公式为

ηEP(j)=∑ηEP(j)i=∑[Q(j)i·ηEF(j)i]。

(1)

式(1)中,ηEP(j)为养殖活动对第j类潜在环境影响类型的贡献值;ηEP(j)i为南美白对虾生命周期中第i类环境影响因子对第j类环境影响的贡献值;Q(j)i为南美白对虾生命周期第j类环境影响类型所包含的第i种物质排放量;ηEF(j)i为第i种产出物质对第j种潜在影响的当量因子。

1.4.1特征化

在eFootprint软件上建模计算得到2种养殖系统中单位产量(各生产1 t南美白对虾)的生命周期评价(LCA)计算结果,根据国际标准ISO 14044《环境管理 生命周期评价 要求与方针》和我国国家标准GB/T 24040—2008《环境管理 生命周期评价 原则与框架》的规范和建议,采用当量因子法[22-23]对环境影响进行特征化〔根据不同物质对同一种环境影响类型的影响潜在程度,将其中1种物质作为基准物质(影响潜值取1),当量因子为相同质量的其他物质影响潜力与该基准物质影响潜值的比值〕。

(2)

式(2)中,Sk为第k种环境影响潜值的特征化结果;Qi为每单位投入或排放i物质的清单数量;ηEP(i)为第i种物质的环境影响当量因子。

1.4.2标准化及加权评估

(1)标准化。为比较不同类型环境影响的相对大小,将特征化结果根据所选基准值进行标准化,标准化基准值采用2000年全球人均环境影响潜值[24]。

ηNP(j)=ηEP(j)/ηER(j)2000。

(3)

式(3)中,ηNP(j)为标准化后的潜在环境影响和资源消耗;ηER(j)2000为2000年第j类环境影响类型的基准值。

(2)加权评估。不同环境影响类型对生态系统和人类健康的影响并不相同,所以需要对不同环境影响进行加权评估。权重值采用王明新等[25]设置的权重系数并对不同环境影响进行加权评估。

南美白对虾生命周期评价环境影响指数公式为

ηWP(j)=ηWF(j)·ηNP(j)。

(4)

式(4)中,ηWP(j)为第j种环境影响潜值标准化结果;ηWF(j)为第j种环境影响的权重系数。

2 结果和讨论

2.1 系统边界与功能单位

研究主要考虑南美白对虾养殖生产系统的环境影响,不包括销售及消费阶段的环境影响,具体包括养殖场基础设施建设(投入品主要为水泥、红砖、聚乙烯等,该项投入已根据使用年限分摊至每年)、南美白对虾成虾养殖(投入品主要为电、水、饲料,已根据需要转化为每1 t耗费量)以及物质运输过程中的输入和排放。分析中未包括虾苗的繁育以及消费阶段的环境影响(图1)。环境生命周期分析的功能单位为1 t南美白对虾[24]。

图1 南美白对虾养殖系统生命周期流程Fig.1 Life cycle flow chart of Penaeus vannamei culture system

2.2 投入-产出清单分析

南美白对虾养殖过程中的投入-产出清单如表2所示。清单中的数据为不同养殖系统中单位产量(各生产1 t南美白对虾)的投入和产出,表格中的数值为样本点均值。

表2 2种养殖系统中单位产量(各生产1 t南美白对虾)的投入和产出Table 2 Input and output analysis of per unit production (1 ton of Penaeus vannamei)in two systems

1)养殖场基础设施建设投入品已根据使用年限及使用年限内产量,将其转换成1 a内1 t虾的投入。2)氨氮和COD为换水前测定,由此可估计养殖氨氮和COD排放量。

2.3 影响评估

通过eFootprint软件建模计算得2种养殖系统中单位产量的生命周期评价(LCA)计算结果(表3)。工厂化养殖产生的环境影响大于池塘养殖。

表3 2种养殖系统中单位产量(生产1 t南美白对虾)的LCA计算结果Table 3 LCA calculation results of per unit production (1 ton of Penaeus vannamei)in two systems

2.4 环境影响潜值标准化和加权评估结果

标准化和加权评估结果(表4)显示水资源消耗以及富营养化是水产养殖生产中最大的环境影响类型,标准化结果为LCA结果除以基准值(无量纲)。

2.5 分析和讨论

2.5.1基础设施建设阶段环境影响最大

比较南美白对虾养殖的3个阶段,各个阶段的环境影响大小依次为基础设施、饲料生产阶段和成虾养殖阶段(表5)。基础设施建设所产生的环境影响远大于饲料生产和成虾养殖阶段。基础设施建设方面的环境影响主要表现在生产原料的制造上,即煤、化石燃料的消耗,水资源的消耗以及温室气体的排放,这与前人研究结果[5,18]基本一致。

表4 环境影响潜值标准化和加权评估结果Table 4 Results of standardization and weighted assessment of environmental impact potential

1)来源于文献[24]中2000 年全球人均环境影响潜值;2)来源于文献[25]中专家组评议设置的权重系数。

表5 工厂化养殖模式与池塘养殖模式3个阶段环境影响指标值Table 5 Value of environmental impact index in three stages of industrialized and pond culture modes

尽管近年来养殖废水污染备受关注,但从整个养殖生命周期来看,成虾养殖阶段环境影响大多小于基础设施建设与饲料生产阶段。因此,从环境污染治理的角度来看,加强水产养殖环境生命周期的上游阶段治理可能效果更明显。

2.5.2池塘养殖模式环境影响总量小于工厂化养殖

从生命周期角度来看,池塘养殖模式产生的环境影响小于工厂化养殖(表5)。国外相关研究也说明了这点,例如PELLETIER等[7]对比了粗放与半集约化2种养殖模式,发现印度尼西亚生产1 t罗非鱼半集约化养殖模式的环境影响总量是粗放型养殖模式的1.2倍。CAO等[5]发现集约型养殖模式的环境影响总量是半集约的2倍以上。通常来讲,池塘养殖模式依赖气候条件和水质条件,因此养殖密度较工厂化养殖小,电能、饲料投喂和基础设施建设方面的相关投入远小于工厂化养殖,所以造成的环境影响较小。

2.5.3水资源消耗在整个养殖活动产生的环境影响占比最大

从整个养殖活动来看,水资源的消耗是5个环境影响指标中最大的。工厂化养殖的水资源消耗远大于池塘养殖(表5)。水产养殖业需要消耗较多的水资源,而为提高经济和生态效益,需要改善水域环境的水质和底质情况,需定期换水来保证水质[26],水资源消耗更大。

2.5.4富营养化在成虾养殖活动产生的环境影响占比最大

仅考察成虾养殖阶段的环境影响,富营养化所占比例最高。前人研究结果也表明,养殖集约化程度越高,富营养化程度愈烈。如AUBIN等[13]研究了2种虹鳟养殖模式的环境影响,认为集约化程度越高,富营养化指标越大。MUNGKUNG等[15]研究了2种养殖物种(鲤鱼和罗非鱼)同一集约程度的环境影响大小,发现在养殖活动中,富营养化是最主要的环境影响。实地调研中也发现养殖活动中会有个别养殖户池塘中藻类疯长,富营养化严重,且养殖废水不经处理就直接排放至自然水体。南美白对虾工厂化养殖模式养殖密度是池塘养殖的16倍,饲料过度投喂及转化率低均导致富营养化水体排放量更大。

3 建议

(1)加强水产养殖上游行业的环境治理。研究结果表明,基础设施建设的环境影响在整个生命周期评价过程中的占比超过50%,水产养殖的上游行业是环境污染的主要贡献者。因此,将环境治理的焦点集中于产业链的始端,会对水产养殖业的可持续发展起到事半功倍的作用。上游行业的减排和绿色升级不是渔业管理部门和地方环境管理部门能够承担的工作,需要国家的宏观调控,从立法、司法、财政、税收等多方面来解决这一问题。

(2)权衡考虑池塘养殖和工厂化养殖的生产规划。池塘养殖模式环境影响指数小于工厂化养殖,但池塘养殖模式占地面积大,产量低,生产过程难以监控,水产品质量安全难以保证,片面强调环境影响而采用池塘养殖模式可能会造成水产养殖量供给不足。水产养殖行业发展需以生态目标、社会目标和经济目标和谐统一为发展方向,这需要当地政府和渔业管理部门的合理规划和有效指导,要求当地政府或者渔业部门因地制宜推广池塘养殖或者工厂化养殖模式。

(3)改进饲料成分,精细投饵。养殖过程中产生的富营养化污染所占比例较大,主要原因在于在南美白对虾养殖阶段饲料的过度投喂。养殖户总是依靠自身经验决定投喂饲料量,从而造成了饲料剩余,养殖废水各种指标超标,水质富营养化现象严重。这就需要政府部门加大养殖技术指导,开设相关养殖培训课程或者增派技术专家现场指导,规范养殖流程,提高养殖科学化和标准化。另外,工厂化养殖南美白对虾大多是单养模式,可适当发展混养模式,可以有效提高饲料利用率。调研中也发现,有养殖户在池塘南美白对虾养殖中搭配扇贝养殖,可起到清洁底质,改善水质的作用。

(4)提高水资源的有效利用。在成虾养殖阶段,水资源消耗是最重要的环境影响。无论工厂化养殖还是池塘养殖均需定期换水来保证水质,养殖用水量巨大,水资源消耗严重。另外调研地区所有养殖户均将养殖废水不经处理直接排放入海,造成附近海域富营养化。一方面,当地政府或环保部门应该加大环保支持力度,大力提倡循环水养殖,提高水资源利用效率,配合采用财政补贴等方式,积极推动养殖户引进先进废水处理装置,同时加强监督管理,秉承“谁污染谁治理”原则,有效遏制废水随意排放现象,提升养殖户养殖管理水平。

(5)建立对虾生态标签,引导市场绿色消费。在实地访谈调研时也发现,较少水产品有生态标签。因此,政府及相关环境保护部门应充分发挥相关职能,完善对虾生态标签,加强对养殖户进行生态标签相关培训与引导,提高养殖户对生态标签的接受度和认可度,培养养殖户创建生态标签的积极性。同时,提高消费者对水产品生态标签的认知度和重视程度,普及相关生态养殖知识,引导绿色消费。