循环水养殖系统的环境可持续发展与气候变化的研究

王海姮，侯昊晨

（设施渔业教育部重点实验室，大连海洋大学海洋科技与环境学院，辽宁 大连 116023）

“循环水养殖系统”（Recirculating Aquaculture System，简称“RAS”）是一种潜在的适应策略，是生态友好、高密度、高产量、高投入、高效益的集约化养殖模式。考虑到环境的脆弱性对鱼类生产可持续发展存在一定的影响，循环水养殖系统在室内受控环境中工作，受降雨变化、洪水、干旱、全球变暖、气旋、盐度波动、海洋酸化和海平面上升等气候因素的影响较小。由于设计复杂和系统昂贵，RAS还没有被广泛应用，特别是在发展中国家应用较少。因此需要对技术创新进一步研究，建立低成本、节能的RAS，以加强水产品生产，减少温室气体排放和适应气候变化。

1 循环水养殖系统概述

RAS最早的开创性研究始于20世纪50年代的日本，RAS“鱼菜共生”技术发展了近40年。“鱼菜共生”是一种适应气候变化的水产养殖技术，在不同的季节生产各种作物（水果和蔬菜）[1]。20世纪70年代，德国的一个试验项目证明在RAS中集约化生产鲤鱼具有可行性，随后，丹麦水产养殖研究所进行了一项创新性研究，进一步完善了RAS技术。用RAS进行商业鱼类生产的想法最早是于20世纪70年代中期在丹麦被提出来的[2]，此后在1980年建造了第一个商业化RAS。21世纪以来，RAS在欧洲、北美、澳大利亚和其他水产养殖生产国得到了进一步发展[2]。

在过去的20年间，RAS技术获得了显著发展，并在最近几年变得更加流行。在气候条件不充分、水资源短缺、水质差以及存在其他不利因素的地区，RAS被开发用于水产养殖[3-5]。RAS是一种陆基的室内养殖设施，鱼类被储存在一个受控环境的水箱中，通过去除鱼类代谢废物，经过滤、净化的水再循环回到系统中。水的净化通过机械过滤[6-8]、生物过滤、灭菌和氧化反应等过程来实现。通过复杂的过程，不断提高处理效率，RAS的水应用水平达到90%以上应加强废物管理并可以减少用水促进营养回收。

RAS被纳入“农业和水产养殖一体化”系统，即所谓的水培方法。水培法被认为是RAS的一种特殊类型，其中蔬菜与鱼类共生，可以过滤水体，提高生物的多样性。尽管RAS可以提高鱼类产量，但目前RAS对全球水产养殖生产的贡献却很小。由于一系列的社会、经济和技术等因素，RAS仍没有得到广泛的应用。RAS是一种初始投资很高、运营成本高昂的工程方法[9]。尽管南亚和东南亚等地区水产品产量占全球总产量的89%[10]，但受到技术和经济条件的限制，RAS在这些地区的应用相当缓慢。

2 环境可持续性发展

淡水短缺是世界许多地区面临的共同挑战，水产养殖业和其他用户，如农场经营者之间对淡水使用的竞争正在迅速增加。因此，粮食生产面临挑战，必须通过有效利用水资源来提高产量。在全球范围内，2010年水产养殖消耗了201 km3淡水，预计到2050年将达到469 km3。虽然从概念上讲，水产养殖不是一种耗水的生产方式，而且养殖废水可以被其他行业充分利用，但会产生负的水足迹，主要是通过渗透和蒸发导致水损失。RAS对水的依赖性比流水式系统低93%，比传统水产养殖系统低90%~99%，相对来说是一种更为友好的生产方式，有助于节约水资源[11-13]。

生物絮团是一种复合技术[14]，可以减少饲料和能源消耗，提高养殖效益，保证环境的可持续性。通过在RAS中应用生物絮团技术，可以进一步减少用水，实现废水零排放。生物絮团具有益生菌的功能，可以为鱼类提供额外的营养，从而提高鱼类生长性能，增强免疫反应，并减少氧化应激。RAS由于具备低成本、环境友好、预防疾病、处理废物和增加产量等优点，逐渐被发展中国家的农民所接受。因此，生物絮团技术是一种可持续的替代方法。

RAS通常被认为是节水农业，因为其耗水量低、循环水回用率高、废物管理优化。RAS废水表现为高浓度污泥的形式，这些污泥相对容易管理，可以用作蔬菜种植肥料，至少易于从农业废水中分离出来，不进入集水区生态系统。通过过滤、提取和浓缩过量的营养物质，管理良好的RAS不会造成水污染和富营养化。RAS的富营养化可能性比流水式系统低26%~38%，比传统水产养殖系统低40%。RAS综合多营养有效设计可以最大限度地减少养殖排放和海洋污染，从而控制疾病。

RAS可以实现更可持续的粮食生产，采用RAS可以带来广泛的环境效益。土地利用率高是RAS的一个关键的环境效益特征[15]。在土地、水获取有限的地方，RAS系统是非常合适的，因为RAS系统相较于传统的水产养殖系统，其使用的土地面积不到1%。RAS可被视为一种可持续的集约化方法，在对环境不造成负面影响的情况下能够生产更多的鱼类。

3 气候变化的影响和适应

RAS在室内受控环境中工作，因此被认为是一种可行的适应气候变化的策略。实际上，RAS只受到气候变化相关现象的最小影响，如降雨变化、洪水、干旱、全球变暖、气旋、盐度波动、海洋酸化和海平面上升等。

气候变化对自然水循环有着深远的影响，如降雨强度及其变动性直接增加了干旱和洪水的频率。传统的内陆淡水养殖利用池塘、河沟和稻田，非常容易受到干旱的影响，未来气候变化情景可能会产生重大变化。然而RAS的好处是只需要输入少量淡水，适应气候变化的能力是显而易见的[16]。与此同时，随着全球变暖，预计暴雨天气频率也会增加。据预测，到2050年，沿海洪灾的发生率将翻一番。

全球平均气温预计到2050年将上升1.5~2.0℃。水温的最低限度升高可影响鱼类的生长、健康和生产[17]。然而，全球变暖对RAS来说并不是一个问题，从极地到热带，包括沙漠和干旱地区，RAS可在各个地方进行生产。除了气温上升，气候变化还对海洋生态系统的其他方面产生重大影响。到2050年，全球86%的海洋会变得更酸，温度更高[16]。海洋酸化影响水产品生产，但是RAS的鱼类生产因封闭和受控环境而不会受到阻碍[17]。因此，RAS相对于其他水产养殖，对适应气候变化有直接贡献。

4 结语

RAS是针对多种水产品的高产集约化养殖方式，可全年在各种地点进行。然而，RAS是昂贵的、复杂的、高度工程化的系统，需要大量的资本投入。因此，大多数RAS在发达国家运行。除了能源使用和相关的温室气体排放等缺点外，RAS是环境友好、节水的养殖方式，在相对较低的水量环境中养殖大量的鱼类，具有强大的适应气候变化潜力。

RAS能够在陆地、封闭和受控环境中运行，不受气候因素的影响，或仅受到很小的影响。因此，为了减少总投资成本和温室气体排放，有必要开发简单、有弹性、低成本和更节能的RAS系统。在RAS中使用可再生能源可以显著减少能源消耗和温室气体排放，水培法也可以减少能源消耗和温室气体排放。建立低成本的节能RAS需要实证研究，而且必须解决社会经济方面的困难，以便在发展中国家更广泛地推广RAS。