淡水池塘养殖温室气体排放研究进展

刘俊文，刘 晃，庄保陆，曲 蕊

(1 上海海洋大学工程学院，上海 201306；2 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092)

近年来大气中温室气体质量浓度持续增长，其引发的全球气候变暖已成为当今世界面临的重要环境问题之一，受到国内外关注。淡水池塘养殖作为中国水产养殖主要模式之一，在其他淡水类型(湖泊、水库、河沟等)养殖面积同比下降的背景下逆势上升5.50%，2018年总面积达2666.84千公顷，占淡水养殖总面积的51.82%[1]。为人们提供大量优质蛋白质的同时，水产饲料的大量粗放式使用[2]，增加了淡水池塘和邻近水体的富营养化和有机碳沉积[3- 4]。鱼类消耗饲料的氮中，平均只有25% 转化为生物量，其余的以氨氮的形式排到水中[5]。另外，相当比例的饲料碳被水中其他动物和微生物转化为二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)，或被贮存于池塘底泥中[4]。据估算，2018年全球4.01×1010kg水产饲料中约有1.095×1010kg碳(C)和1.83×109kg氮(N)被排放到环境中[6]。此外，淡水池塘养殖中还会添加肥料以促进浮游植物的生长[7]。大量的碳氮输入有可能推动淡水池塘养殖成为二氧化碳、甲烷和氧化亚氮(N2O)排放的重要人为来源。有研究认为总面积仅占陆地水体总面积8.6%的小型池塘其甲烷排放量却占陆地水体总排放量的40%[8]。因此，总结温室气体排放量的研究方法和结果，量化淡水池塘养殖过程中的温室气体排放，了解影响排放量的环境因素，将能够更好地剖析淡水养殖池塘的温室气体排放问题。

1 温室气体排放量估算方法

1.1 淡水养殖池塘二氧化碳排放量的估算方法

与结果

早期研究普遍认为，导致全球变暖的温室气体主要为CO2，因此提出碳足迹(Carbon Footprint)概念，用于标示碳耗用量，评估个人、组织、活动或产品产生的直接与间接的温室气体排放总和[9]，以CO2等价物来表示，是目前计算各种产业温室气体排放量较好的测度方法。其基本公式[10]为：

(1)

式中：E—产品的碳足迹；Qi—i物质或活动的数量或强度数据；Ci—单位碳排放因子(CO2，eq/kg)，排放因子是量化每单位活动的不同温室气体排放量或清除量的系数。

对于淡水池塘养殖而言，大气中CO2经光合作用转化为有机物被投入到池塘中，在池塘中经生物代谢分解后又转化为CO2，这一过程并未产生大气库中CO2的“净”增量；而养殖过程中能源使用产生的间接排放远远大于养殖水体的直接排放，因此学者主要从能耗角度对排放进行研究。徐皓等[12- 13]通过实地采样调研和数据分析，推算中国淡水池塘养殖耗能为1 350.8万t标煤。其后，刘晃等[14]根据美国橡树岭国家实验室[15]的计算方法，对中国水产养殖活动导致的CO2排放量进行了估算，其能源折算公式如下：

E=W×0.356×0.982×0.73257×3.67×83.34%

(2)

式中：E—CO2排放量；W—耗电量(kW·h)；0.356—每度电折算为 0.356 kg标煤；0.982—有效氧化分数；0.732 57—每吨标准煤的含碳率；3.67—转换系数44 (CO2的分子量)/12 (C的分子量)；83.34%—当年中国火电比例。

刘晃等[14]据式(2)及2007年相关统计数据估算的结果显示，该年中国淡水养殖池塘CO2排放总量为730.1万t，单位鱼产量排放量为0.54 kg (CO2)/kg，占水产养殖总排放量的73.8%。

目前国际上公认和通用的碳排放评估方法则是联合国气候变化委员会(IPCC)编写的国家温室气体清单指南，即IPCC排放因子法。根据能源的发热量对能源消耗量做出转换，将质量单位转化为能量单位，通过转化因子实现每种燃料(煤、柴油、天然气等)的能源单位转化，细化了对渔业生产中的不同能量来源的测算。公式[11]如下：

(3)

式中：C—CO2排放总量，Ei—不同能源的实际消耗量，i=1、2、3……，kg；Ti—燃料的平均发热量，kJ/kg；CCO2—CO2排放因子，如IPCC建议柴油的CO2排放因子为0.741g/kJ。

王逸清[11]根据式(3)对统计数据进行计算并分析比较，发现这两种方法估算结果差值比例为1.43%(719.63万t)，考虑到燃料组分的不同，IPCC建议的因子值是否适合中国实际情况仍有待商榷。金书秦等[16]进一步用标杆法对中国12个主要养殖省市的相关数据进行分析计算以评价能源使用效率，其结果表明，全国规模户(养殖面积大于20 000 m2)精养平均每亩养殖水面的直接能耗导致的温室气体(CO2)排放量为294.7 kg，每吨水产品直接能耗导致的CO2排放量为319.71 kg。

已有研究存在几方面的局限性：计算公式较为简略，只考虑了火电的温室气体排放，而太阳能、风能、水力等发电方式同样有一定的温室气体排放[17]；由于数据不完备以及相关参数不完全，计算的结果是直接能耗，并未包含间接能耗和隐含能耗，而这部分占比可能相当可观[15]；由于养殖品种和模式的不同，单位产量的耗能存在差异，未考虑水生生物光合作用产生的碳汇作用和不投饲粗放式池塘的存在，故平均耗能和总产量的简单乘积并不能真实反映水产养殖的总体排放情况。

1.2 淡水养殖池塘N2O排放量的估算方法与结果

研究发现，N2O的排放量与温室效应有关。淡水池塘养殖过程中投入的含氮有机物未被水生生物吸收利用的部分，经过微生物的硝化和反硝化反应后部分转化为N2O，研究者常用产量和排放系数间接推算其含量。估算N2O 排放量至少需要2个关键参数：养殖过程中未被利用的氮量(discharge nitrogen)和硝化及反硝化过程中N2O 的排放系数。根据常见养殖鱼类的饲料转化率，产出1 kg鱼(鲜重)需要1～3 kg饲料(干重)，按照饲料蛋白质含量为25%～55%(平均为35%)算，25%饲料氮可转化为鱼的生物量，其余部分主要以氨氮形式排放到水体中。Timmons 等[18]认为水产养殖系统中每天产生的总氮(TAN)可用下式来估计：

PTAN=F×PC×0.092

(4)

式中：PTAN—总氮，kg/d；F—喂养量，kg/d；PC—饲料中蛋白质含量；0.092—假设的转换系数(蛋白质含氮量为16%，其中80%被鱼吸收，吸收的氮80%被排出，而其中90%为氨氮形式)。

对水产养殖的N2O排放量估算研究极少，针对淡水池塘的研究则更加缺乏，故仅能对少数已有研究作讨论。由于相关数据缺乏，而工业化养殖中废水处理过程和污水处理厂相似，国外研究者在考虑N2O排放系数时采用了污水处理厂的排放系数。Williams等[19]、Hu等[20]和UNEP[21]利用水产养殖总产量来估算未被利用的氮量，分别用2%、1.80%和1%的N2O排放系数估算其排放量(表1)。

表1 N2O排放的估算结果 Tab.1 Estimation results of N2O emissions

Williams等[19]估算5.5×107t 鱼产量对应的N2O排放量为1.2×1010g，其研究中使用饲料利用效率FCR 代替饲料中氮的利用效率进行计算,实际上大大提高了氮的利用效率(提高到71.43%)，因而在N2O排放系数相仿的情况下，低于Hu等的估算结果。罗国芝等[23]分析认为水产养殖过程中N2O排放系数低于废水处理过程中的N2O排放系数，且并非所有的食用鱼养殖过程中都会向环境排放氮，因此这些估算都不同程度地高估了N2O排放。 Zhen等[19]测定表明集约化养殖池排放到大气中的氧化亚氮形式氮(N2O- N)占总氮输入量的1.3%，这远远低于Williams等在估计N2O排放系数时使用的5%。胡志强[22]根据全年原位观测结果和养殖产量，确定蟹塘和鱼塘的N2O转化系数分别为0.66%和0.35%，与前述比较更低。据此估算我国蟹塘和鱼塘养殖湿地N2O全年排放量分别为1.2×109g和4.5×109g，世界淡水池塘养殖N2O- N排放总量约为1.3×1010g，分别占全球淡水生态系统和人为总排放源的1.9%和0.2%。但是该研究基于华东地区的排放情况估算全国和全球淡水养殖湿地温室气体的排放总量，存在很大的不确定性。

目前研究争论的焦点在于淡水池塘养殖过程中N2O排放系数，要获得全面而准确的数值，需要进行实测性研究，即同时测量养殖生产过程中温室气体的排放量和养殖动物的产量，从而计算出N2O排放系数。然而，实际水产养殖活动中N2O 排放系数差异极大，不同养殖模式的N2O排放差别明显，即使是相同的养殖模式,不同实测案例间N2O的产生比例差异也较大，故有必要探究对温室气体排放量的影响因素。

2 影响温室气体排放量的因素

2.1 水温

水温是重要的水环境因子之一，直接影响养殖动物的生长、繁殖、植物光合作用、水中微生物的活性以及气体溶解度，进而影响温室气体的排放。对于相对封闭静止的池塘，较高的水温会促使有机质分解，CO2质量浓度上升，增加向大气释放的量，但如果有水生植物存在，高温也能促进光合作用对CO2的吸收。研究显示，温度升高能够促进沉积物中乙酸发酵，CH4产生速率随温度升高呈指数增长[24]，这使得CH4积累在底泥中形成气泡，而以气泡途径排放的CH4比扩散途径更不易被氧化，从而增加排放到大气中的量[24- 25]。温度对N2O的影响要复杂一些，硝化和反硝化过程的最佳温度在25 ℃～30 ℃之间，并都在10 ℃或更低温度下受到抑制。温度通过影响硝化和反硝化过程而影响N2O的排放。在较低温度(15 ℃～35 ℃)下N2O通量较高，随着水温增加，水体沉积物的硝化和反硝化速度因微生物活性增强而促进了水—气界面N2O的排放速率，但是更高温度会导致水体缺氧而抑制硝化作用，进而抑制N2O 的产生与释放[28]。

由于温度随昼夜、季节变化具有规律性，因而池塘温室气体的变化也有规律可循。CH4冒泡通量的观测显示，白天气体冒泡速率为62.1 mL/(m2·h)，夜间气体冒泡速率为37.5 mL/(m2·h)，温度较高的白天冒泡速率明显比夜间快[28]。在一个探究天气状况[28]对CO2通量影响的研究中，晴天时白天水体吸收CO2，排放量为负值，温度低的雨天夜间CO2通量较晴天下降约28.7%，但是夜晚和阴雨天气CO2排放量与温度呈负相关。张成等[29]对某一富营养化池塘夏季连续48 h的在线观测表明，CO2通量除了因浮游植物光合作用和呼吸作用交替而存在昼夜性的变化规律外，也与水温呈负相关。高温水体中O2溶解度较低，将抑制水生生物的呼吸作用，因而并不能简单认为温度越高，CO2排放量越大。闽江口鱼虾混养塘[30]水—气界面CO2和CH4通量月变化范围分别介于-22.15～74.79 mg(m2·h)和0.08～6.62 mg/(m2·h)之间，平均交换通量分别为21.04 mg/(m2·h)和3.15 mg(m2·h)。与胡志强[21]和朱林等[30- 31]的监测结果类似，一般呈现为在温度较高的9—11月份出现CO2和CH4排放通量的高峰期，在温度较低的12月至次年1月份出现CO2和CH4排放通量的低谷期[30]，春夏季CH4和N2O的排放之和占全年总量的70%以上。这可能是因为春夏季投喂量大、气温较高，为温室气体产生提供了丰富的底物和适宜的水温。虽然对于温度对温室气体排放通量影响的研究较多，但遗憾的是，研究大都停留在对相关性和规律性的定性描述中，尚未见到有定量描述甚至建立预测模型的报道。

2.2 排水活动

现有研究较少讨论到排水活动对温室气体排放量的影响。在池塘养殖过程中，养殖动物的粪便、残饵和生物碎屑等有机物沉积于池底，可导致水质恶化、池底老化[32]。因此，养殖活动结束后会进行排水、晒塘、清淤等活动。排水过程中池塘水位下降显然将影响水体中物质循环、沉积物性质和微生物活动状态。因此，这一活动对淡水池塘温室气体产生和排放过程的影响不容忽视。马煜春等[34]用箱法分别测定了太湖地区混养鱼塘和蟹塘在淹水期和排水期间的CH4排放通量，两种池塘的CH4排放通量随着淹水时间延长和温度上升而逐渐升高，CH4排放主要集中在淹水期间，而排水期间CH4排放极低，仅为0.000 6±0.006 mg/(m2·h)。但是，杨平等[35]的研究发现，排干后池塘的CH4通量为24.74±2.33 mg/(m2·h)，显著高于淹水池塘排放通量0.07±0.01 mg/(m2·h)，故其认为养殖塘排干活动可以显著增加CH4的释放强度。研究结果之间存在很大的差异。一般认为排水时水位下降能增加水体和土壤溶氧，有助于CH4氧化，抑制产甲烷细菌活性[36]，与前者的结果一致，但后者测定的是较为静止的湿润土壤，沉积物深层可能仍处于厌氧状态，同时其淹水对照组一直处于增氧状态，加大了差异显著性。此外，杨平等[35]试验中排干后池塘N2O的排放量(1.07±0.15 mg/(m2·h))高出未排干池塘(0.002±0.004 mg/(m2·h))500倍，而比较团头鲂池塘夏季淹水阶段[31]与冬季晒塘阶段[32]温室气体排放通量，可发现夏季淹水时CO2和CH4明显高于冬季的排放量，但N2O排放高于淹水期，这表明排水活动对N2O排放的促进作用远超过低温对其的抑制作用。

2.3 养殖品种

不同的养殖品种间可能由于养殖动物的行为差异和消化系统差异而引起温室气体排放量的差异。据报道，鲤[37]、草鱼[38- 39]、中国明对虾[39]等底栖动物会对水体营养盐流动、沉积物-水界面生化反应产生干扰。如鲤对沉积物-水界面的硝化和反硝化作用均有明显的促进作用，放养密度越高，促进作用越明显[41]。河蟹在塘底爬行、取食、掘洞和居穴等日常活动都会破坏底泥表面的厌氧环境，不利于CH4产生[42]。当水体中存在硝酸盐时，细菌在动物肠道厌氧环境下发生不完全反硝化，释放出N2O。Stief等[43]发现N2O的排放速率与该物种所属的摄食类型有关，滤食性和沉积食性动物的N2O排放量最高，食肉动物最低。这可能是因为前两类动物肠道微生物更多。Heisterkamp等[44]对19种无脊椎动物的N2O排放速率进行的研究表明，N2O排放速率为每个体1.35 nmol/h以下，而凡纳滨对虾的N2O排放速率为每尾3.57 nmol/h，Hu Zhen[25]据此及2009年全球虾的产量统计推算养殖虾所产生N2O为1.65×107g，仅占总N2O排放的0.018%。虽然并无更多对鱼类的研究可供参考，但考虑到鱼类普遍较短而不发达的消化系统，可认为由水产动物排出的N2O占水产养殖过程中总N2O排放的比例应非常小。淡水池塘养殖实践中相当一部分是多品种混养，因此相关研究不仅要评估某一品种的温室气体排放量，也应该考虑不同的混养组合间温室气体排放的差异。

2.4 养殖模式

大量研究表明，淡水池塘不同养殖模式温室气体排放模式迥异，可能是造成评估不确定性的重要原因。Yuan等[6]将淡水养殖水体分为稻鱼共作、粗放型、半集约型和集约型四个类型，并综合分析了全球45个养殖水体和21个主要生产国家(地区)的温室气体排放数据，结果表明，稻鱼共作的CH4排放通量(12.6±3.9 mg/(m2·h))最高，之后依次是粗放型、半集约型，而集约化型的排放量微不足道；稻鱼共作的N2O排放通量也是最高的，其次是半集约型和粗放型。研究中集约型的N2O通量数据缺乏，但其N2O排放系数(1.16 ± 0.18%)和单位产量排放因子(2.48±0.42 g N2O /kg)显著高于粗放型(0.24± 0.10%和0.66 ±0.22 g(N2O )/ kg)和半集约型系统(0.35±0.16%和0.88±0.41g(N2O)/kg)。不同养殖模式间的重要区别之一是水生植物，稻鱼共作和粗放型养殖池塘中都有丰富的植物。马煜春等[34]、Liu等[45]和Hu等[46]的研究结果一致表明，有水生植物覆盖区域的CH4排放较无水生植物区域显著增加。植物以及植物根系会分泌出有机物质，为产甲烷菌提供基质，植物根系周围的硝化细菌和异养生物等会消耗溶氧，加剧了该区域的厌氧环境，从而提高了CH4的产生能力。

养殖密度也是不同养殖模式之间的重要区别。例如，某一混养鱼塘CH4排放总量虽比蟹塘高，但蟹塘单位收入的CH4排放所引起的净温室效应比前者高了80%[36]。集约型系统由于连续曝气、水交换和产甲烷菌栖息地的缺乏而显示出极低的CH4排放量，考虑到CH4是淡水养殖中全球增温潜势(GWP)的主要贡献因子(94.6%)，Yuan等[6]认为将现有粗放型和半集约型池塘产量的一半以集约型系统生产，全球淡水养殖(不包括稻鱼共作)CH4和N2O的总体增温潜势将降低40.1%[6]。这一结论有待商榷，如前文所述，由能耗产生的间接排放可能远大于池塘的直接排放，现有只考虑水体的直接排放而未考虑维持集约型系统高密度养殖所需的能耗，集约化模式总体上是否有优势还有待进一步研究。

3 研究展望

3.1 排放结构有待分析

准确评估不同生态系统温室气体排放量一直是研究者们的关注热点，然而与水产养殖的迅速发展相比，对淡水养殖池塘温室气体排放的研究非常有限。淡水养殖池塘温室气体排放量包括养殖过程中能源消耗造成的间接排放和水体的直接排放，现有研究要么只评估能耗，要么只评估直接排放量甚至是单种气体的排放量，较少有关于温室气体整体组成结构的研究报道。N2O的GWP是CO2的近300倍，而CO2和CH4的排放总量占比可能很大，并不能简单比较温室气体间的排放量，对养殖模式的讨论也表明温室气体的组成比例很大程度上决定了实际产生的增温效应。养殖过程中进行温度控制、供氧和提供机械动力消耗的能源是直观易于统计测算的，而使用的物资和器械生产、储存、运输过程中所产生的间接能耗，饲料肥料本身所隐含的能量，常因边界界定、不直观、难于测算等原因而被忽视，但可能占比例较大。例如，对全钢载重子午线轮胎的全耗能核算表明原料隐含能耗占了产品全耗能的83.92%[47]，而对虾池塘养殖碳足迹研究显示，投放饲料产生的CO2排放量远高于柴油和耗电量，占总碳足迹的91.93%[48]。未来应该全面评估各个环节的温室气体排放组成，以明确“高排放环节”和“高排放气体”，从而为科学制订减排措施提供参考。

3.2 估算方法有待规范

当前应用于淡水池塘温室气体排放量估算的方法主要有基于能耗的计算和基于产量、排放系数的计算，但都是初步的和粗略的，由于缺乏准确的数据而具有较大的不确定性。当前碳足迹已发展为通过采用生命周期评估(LCA)这一方法要求对产品整个生命周期的所有环境影响进行科学、全面评估。在水产养殖领域，即考虑饲料、化肥、渔用机械等的原料生产、土地利用类型变化；原料加工与运输；生产与运输；渔场中增养殖过程；水产品加工、运输、售出等[49]整个生命周期过程的资源消耗与温室气体排放。然而相关研究仅散见于少量研究，如吴飞飞等[48]基于LCA方法研究对虾池塘养殖阶段的碳足迹；李静[50]以上海海洋大学循环水养殖示范平台中循环水养殖系统为案例进行LCA评价。这些研究仅对养殖个例进行了探索性研究，并未形成完整研究体系，无法对宏观排放情况进行阐述。现有对N2O排放的实测性研究较少，导致对N2O的排放系数争议很大，影响了对其排放量的准确、客观认识。综上所述，应进行更多量化研究，规范评估方法。

4 小结

淡水池塘养殖作为中国水产养殖的主要模式之一，其温室气体排放量不容忽视。为评估生产活动的CO2排放量而提出了碳足迹概念。从能耗角度估算CO2有ORNL法和IPCC排放因子法等，从物质转换角度估算N2O则是从饲料投入、饲料转化率结合排放系数的方法，但已有研究存在一定的局限性，主要是源于计算公式的简略，参数选择存在争议，可参考的实测性实验缺乏及相关统计数据不完备等原因。影响温室气体排放量的因素众多。温度影响生化反应酶的活性从而影响排放量，同时因温度随时空变化而有规律性。排水活动的影响反映了养殖管理方式不同而造成排放差异，养殖品种的影响需要考虑不同混养组合的优化，养殖模式的影响为减排措施提供了思路，也提出了新的问题。未来研究需要进一步分析温室气体排放量的组成结构，规范相关估算方法。