山东省海水鱼虾养殖氮磷污染负荷及能耗分析

李 凯

(山东省渔业技术推广站，山东 济南 250013)

节能减排是国家可持续发展的重大战略，渔业节能减排是实现渔业节本增效、增加渔民收入、增强渔业可持续发展能力的现实需要，是推进渔业发展方式转变的有效途径[1-2]。整体把握水产养殖业的污染负荷及能源消耗，对有效开展渔业节能减排管理、科学研究和技术推广具有基础性作用。山东省既是海洋大省，又是渔业大省。2017年，山东省海水养殖产量约为499.6×104t，约占全国海水养殖总产量的26.63%；海水养殖面积约为56.32×104hm2，约占全国海水养殖总面积的24.30%，海水养殖产值占全国海水养殖总产值的近1/3[3]，因此，山东省渔业节能减排工作对全国具有重要影响。目前有关山东省水产养殖污染负荷和能源消耗的研究和分析尚属空白，全省渔业节能减排工作的政策制定和实施缺乏基础数据的支撑。为初步摸清当前山东省海水养殖污染和能耗现状，有针对性地开展节能减排相关技术模式的示范和推广，本研究根据山东渔业统计年鉴，重点对海水养殖的氮、磷污染负荷和工厂化和池塘养殖能源消耗进行评估，并在此基础上对渔业节能减排工作提出相关对策建议，以期为山东省水产养殖绿色发展提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 评估对象

在海水养殖中，相比于贝类、藻类及其他一些粗放式“自然营养型”养殖方式，鱼类、虾类等“人工营养型”海水养殖，因养殖密度高、投饵量大、饵料利用率较低，有机和无机污染物产生量大，而成为对环境影响最大的养殖方式[4]。本次评估主要针对海水鱼类和虾类，对山东省海水养殖氮、磷污染负荷进行估算。养殖渔业能源消耗的主要环节在水体增氧和水泵抽排水两个环节。工厂化和池塘养殖是能耗最为集中的两种养殖方式，因此能耗分析主要针对这两种养殖方式开展。

1.2 计算方法

海水养殖氮、磷污染负荷的估算采用竹内俊郎法，基本原理是从投喂饵料的营养成分中扣除蓄积在养殖生物体内的量，剩余的即是环境负荷[5]，其计算见公式(1)：

Ln/p=(C×Fn/p-Pn/p)×10

(1)

式中：Ln/p为氮、磷的环境污染负荷(kg/t)；C为饵料系数；Fn/p为饵料中氮、磷的含量(%)；Pn/p为养殖生物体内氮、磷含量(%)。

工厂化水体增氧能耗(Go)和进排水能耗(Gp)计算公式(2)和(3)分别为：

Go=(P×C×Dc)/Dr

(2)

Gp=(V×n×T)/Vkwh

(3)

式中：Go、Gp分别为工厂化养殖增氧和进排水年耗电量(kW·h/a)；P为水产品年产量(kg)；C为饵料系数；Dc为单位质量饲料耗氧量(kg)；Dr为鼓风机产氧量(kg/kW·h)；V为养殖水体(m3)；n为换水次数；T为养殖周期(d)；Vkwh为单位电量抽排水量(m3/kW·h)。

池塘养殖增氧能耗(Co)和进排水能耗(Cp)计算公式(4)和(5)分别为：

Co=S×α×E×t×T

(4)

Cp=(S×h×β×T+S×h)/Vkwh

(5)

式中：Co、CP分别为池塘养殖增氧和进排水年耗电量(kW·h/a)；E为单位面积增氧耗电量(kW·h)：S为养殖面积(hm2)：h为平均水深(m)；t为每日增氧时间(h)；α为平均增氧覆盖面积比例(%)；β为每日换水比例(%)。

1.3 参数确定

污染负荷计算公式中饵料系数，饲料中氮、磷含量和生物体内氮、磷含量等参数根据相关文献的实验数据确定，详见表1。

表1 参数赋值及依据

能耗计算公式中，水产品年产量(P)和养殖水体(V)数据查阅山东渔业统计年鉴，其他参数根据文献资料计算[2]，饵料系数(C)为2，每千克饲料耗氧量为0.5 kg，鼓风机产氧量为0.8 kg/kW·h；工厂化养殖换水量为4次/d，养殖周期平均按200 d计算，工厂化和池塘养殖单位电量抽排水量(Vkwh)分别为20和60 m3/kW·h。增氧环节中，平均增氧覆盖面积(α)按总面积的80%计算，平均换水比例(β)为2%，单位面积增氧耗电量0.15 kW·h，每天增氧4 h，每年使用200 d。

2 结果与分析

2.1 氮、磷污染负荷

根据公式(1)计算，海水鱼类氮、磷污染负荷分别为147.90和16.00 kg/t，虾类氮、磷污染负荷分别为64.03和22.10 kg/t。根据2017山东渔业统计年鉴相关数据推算(1)山东渔业统计年鉴[M].济南：山东省海洋与渔业厅，2017.，全省海水养殖氮、磷污染负荷总量为2.63×104和0.48×104t。其中海水鱼类和虾类的氮负荷总量分别为1.82×104和0.81×104t，磷负荷总量分别为0.2×104和0.28×104t。山东沿海各市氮、磷污染负荷详见表2。

2.2 能耗估算

根据2017年山东省渔业统计年鉴，全省工厂化产量为11.417×104t，养殖水体1.05×107m3，全省海水池塘面积为11.135 2×104hm2。通过公式计算，工厂化年增氧耗电量为1.43×108kW·h，年抽排水耗电量4.21×108kW·h。海水池塘增氧年耗电量1.60×108kW·h，抽排水年耗电量1.02×108kW·h。

2.3 能耗水平

通过计算，山东省海水养殖能耗约为8.27×108kW·h，其中工厂化养殖的进排水过程能耗达到了4.21×108kW·h，约占全部能耗的50.91%。工厂化和池塘养殖总产量为47.1×104t，单产耗电量达到1.76 kW·h/kg。按1 kW·h约合0.404 kg标准煤换算，则耗电折合标煤量为33.4×104t标准煤。海水养殖产值为904.57×108元，则能耗水平为33.37/904.57=0.037 t标煤/万元产值。

表2 山东沿海各市海水鱼虾类养殖氮、磷污染负荷

表3 山东沿海各市海水养殖能耗

3 讨论

3.1 氮磷污染负荷的地域分布

本研究结果表明，氮污染负荷最高值出现在烟台为7 852.52 t，其次为青岛6 820.29 t，磷污染负荷最高值出现在滨州为1 256.37 t，其次为烟台1 084.79 t。氮、磷污染负荷的最低值同时出现在日照，分别为773.82 t和187.37 t。氮磷污染负荷的差异可能是养殖规模和品种所致，烟台和青岛的氮污染负荷主要源自海水鱼类的养殖，滨州的磷污染负荷主要是由于近年来对虾养殖的快速扩张。

工厂化能耗的最高值出现在烟台，为1.65×108kW·h，其次为日照，为1.31×108kW·h，最低值则出现在东营，为1×107kW·h。然而东营的池塘养殖能耗最高，为7×107kW·h，最低值出现在日照，为5×106kW·h。能耗的差异主要是养殖模式的不同，烟台、日照的工厂化养殖规模较大，主要是以大菱鲆、牙鲆和半滑舌鳎等鲆鲽鱼类为主，其能耗主要集中在抽取深井海水环节。东营目前养殖空间较大，以大面积养殖池塘为主，其能耗集中在池塘的进排水和增氧环节。

3.2 估算方法分析

氮、磷污染负荷采用竹内俊郎法进行估算，估算值可能高于实际情况，主要原因有两点：一是竹内俊郎法的原理是从饵料成分中扣除生物体内的量，剩余的即是环境负荷，这种计算方法是理论上的最大量，尚未将藻类对氮、磷吸收考虑进去，这种偏差在张玉珍等对福建省九龙江五小川流域水产养殖的N、P污染负荷研究中已经证实[5]；二是在参数赋值上，尤其是海洋鱼类的饵料系数赋值也相对较大，在朱建新等对大菱鲆养殖效果对比实验中[11]，流水养殖和循环水养殖模式下的饵料系数分别达到了0.77和0.71，当然在实际生产中尚难普遍实现，因此参考相关文献取较大参数赋值。本研究的目标主要是为全省节能减排相关政策制定提供基础数据，本着安全原则从偏大值考虑。

在工厂化增氧环节能耗计算中，根据徐皓等的方法[2]稍作修改，徐皓等的饲料投喂总量计算方法是渔业产量×投饲率(3%)×养殖周期(200 d)，然而在实际生产中，养殖初期投喂量较少，饲料的投喂量是逐渐增加的过程，这种计算方法可能造成估算值偏高3～4倍。本研究采用产量×饵料系数的方法可能更接近实际情况。

由于基础数据的局限性，上述估算没有包括苗种生产，部分养殖方式的生产细节能耗，如工厂化养殖中的冬季加温，由于环保要求，目前燃煤锅炉已基本被停用，其能耗也忽略不计。但估算结果代表整个养殖生产约80%。

3.3 氮、磷污染负荷对比

颉晓勇等对2008年的广东省海水养殖污染负荷进行了评估[4]，结果显示，广东省的氮、磷污染负荷分别达到了35 000和7 300 t/a，两者皆高于山东省。主要是广东省网箱养殖规模较大，其所用饵料主要以冰、鲜杂鱼为主，饵料系数较高，鲈鱼为4.6～6.0，鲷科鱼类为7～9，石斑鱼约为8，网箱养殖的氮、磷负荷量占比分别达到了41.8%和39.2%。山东省的网箱养殖规模则相对较小，主要以池塘和工厂化养殖为主，养殖结构及养殖方式上的差异造成了环境负荷量的差别。由此不难发现，渔业节能减排必然伴随着养殖结构的调整和生产方式的转变。

3.4 节能减排建议措施

根据研究结果，结合目前山东省海水养殖实际，建议从养殖结构优化、技术示范推广、标准体系建设三个方面推进渔业节能减排工作的开展。

合理规划养殖规模。山东省海水养殖污染负荷以氮污染为主，养殖品种结构的差异对污染负荷产生了重要影响。以滨州为例，近年来滨州对虾养殖规模快速发展，产量已达山东省总产量的近60%，对虾养殖带来的氮污染负荷也较为突出。以工厂化模式为主的鲆鲽鱼养殖在烟台、日照等地也历经了无序扩张，同时也产生了巨大的能源消耗。以养殖容量为基础，合理规划优势品种和新品种的养殖规模，可以有效管控污染负荷和能源消耗，对产业本身也是一种保护。

积极推广节能减排技术。山东省各地，尤其是在水动力交换条件较差的渤海湾南部、莱州湾地区开展工厂化循环水养殖、微生态制剂水质调控技术、鱼-贝-藻-参多营养层次综合水产养殖等节能减排技术模式的推广，这些节能减排技术在山东具有成功的经验，且具备较强的技术支持力量。同时引导养殖主体应用渔光互补等节能环保产品，实现社会、经济和环境效益的共赢。

尽快完善节能减排标准体系。标准化是对节能减排技术推广的有力支撑[12]，构建统一、完整、科学、动态和开放的通用标准和专业标准体系，在急需的循环水养殖方法、水处理机械设备等方面制定相关标准，对渔业节能减排的开展具有重要意义。