循环水养殖系统的研究进展及发展趋势

王海姮,侯昊晨,刘 鹰,3

( 1.大连海洋大学,设施渔业教育部重点实验室,辽宁 大连 116023; 2.大连海洋大学 海洋科技与环境学院,辽宁 大连 116023; 3.浙江大学 生物系统工程与食品科学学院,浙江 杭州 310058 )

循环水养殖系统是一种环境友好、水资源高效利用及养殖产量高的集约化养殖模式,由流水式水产养殖逐渐演化而来。循环水养殖系统的发展可追溯到20世纪60年代,较为典型的有日本生物包静水养殖系统(以砾石为载体)和欧洲组装式多级静水养殖系统[1-2]。我国陆基工厂化养殖从最初的苗种培育转变为水产养殖、仓储、吊水等多种功能[3-5],养殖技术水平也不断提高。循环水养殖系统通过物理化学处理技术[6-8]保持良好的水质,实现养殖用水的循环使用,具有节约养殖用水及节省养殖用地的优点[9-11]。此外,循环水养殖系统也是唯一能够实现安全、无化学品和重金属残留的绿色养殖模式[12-14],在水产养殖产业中发挥重要的作用,同时也符合当前我国提出的水产养殖绿色发展、循环经济及低碳减排的战略需求[15]。循环水养殖系统具备良好的经济和生态效益,全面系统地研究其设计、研发、改进及与养殖鱼种的互作机制已成为当前水产养殖学、水利工程、环境科学与工程等多学科交叉研究的热点领域。因此,笔者对循环水养殖系统研究的发表文献数量、主要文献类型、作者关联统计、出版机构的分布特征等方面做了总结归纳,有助于明确该领域中有影响力的作者、期刊、投稿机构及各学科的贡献等内容,讨论和分析循环水养殖系统研究应用领域未来的重点发展方向,以此为基础预测和探讨未来其研究发展趋势,为循环水养殖系统的研发与应用提供重要的参考。

1 循环水养殖系统文献计量分析

循环水养殖系统文献数量的年度变化情况能够在一定程度上反映不同时间循环水养殖系统相关研究的发展水平。笔者分析了1991年1月1日至2020年12月31日在Web of Science核心合集数据库中收录的与循环水养殖系统相关的1432篇出版文献。从文献数量的趋势上看,30年间文献发表量总体呈上升趋势。自2000年开始循环水养殖系统的相关出版论文呈逐步增加的态势。2016年文献发表数量最多(共有111篇文献)。文献分析数据表明,循环水养殖系统设备的创新研发成为重点研究方向[16-17]。循环水养殖系统相关文献所属学科主要包括渔业[18-19]、环境科学与生态学[20-21]、工程技术[22-23]、环境科学[24-25]等。其中渔业学科文献最多,共发表769篇,占文献总数的53.70%。《Aquacultural Engineering》与《Aquaculture》是发表循环水养殖系统文献数量较多的期刊,分别发表了290篇和233篇,占文献总数的20.25%和16.27%。期刊的影响力有效助推了循环水养殖系统研究成果的发表。根据研究者发文量统计数据结果,国内外发表循环水养殖系统论文前列的作者分别是刘鹰、Pedersen L F、Pedersen P B等专家。发表文献数量排名前三位的国家为中国、美国及德国,共发表文献714篇,占文献总数49.86%。统计发现,共有50个以上的研究机构发表了与循环水养殖系统相关研究的文献,发表文献数量前10位的研究机构中,分别有4个研究机构来自中国,3个来自欧洲,3个来自美国。其中,中国科学院发表文献64篇,成为发表文章最多的科研工作机构,其次是丹麦科技大学发表文献51篇和荷兰瓦格宁根大学发表文献46篇。统计结果表明了上述国家对循环水养殖系统的重视程度。

2 关键词共现研究热点分析

面向相关参考文献的关键词共现分析,可以在海量被引参考文献中高效便捷地定位出循环水养殖系统的知识结构、研究前沿及其关键热点的变化。为了探究循环水养殖系统研究论文中被引用文献之间的关系,从时间维度定量分析循环水养殖系统研究热点的变化。笔者将1991年1月1日至2020年12月31日Web of Science核心合集数据库中收录的1432篇出版文献进行对比,并对共同被引用的参考文献进行VOSviewer分析。分析结果显示:从1991年开始循环水养殖系统研究热点主要集中在“循环水养殖系统水处理工艺”[26-28]、“硝化”[29-31]及“氨氮”[32-33]问题上;到2000年后,循环水养殖系统研究热点主要集中于“养殖密度”[34-36]、“病害预防”[37-38]及“鱼类健康”[39-40]等关键词;之后随着对循环水养殖系统的进一步研究,以及系统设备的研发与升级,学者们意识到深入研究智能化循环水养殖系统的重要性,研究热点集中在“可持续水产养殖”[41-43]、“智能化”[44-46]及“能源消耗”[47-48]等关键词,相关的研究论文显著增加。

3 循环水养殖系统水处理工艺与设施设备研发

随着水产养殖业的快速发展,近岸海域被过度开发,导致水体富营养化问题严峻[49],赤潮、水华等环境灾害频繁发生,水产养殖聚集区成为了水体污染的源头,大量残饵粪便及养殖污水的排放严重影响了水产养殖水质及生态环境[50]。因此,循环水养殖系统的环境、生态、技术等方向的研究引起了众多研究人员的关注。

在水产养殖中,传统的水产养殖方式会产生含有大量悬浮物、总氮和总磷等化合物以及亚硝态氮、细菌和二氧化碳等有害物质,严重影响了水产品的质量,会对鱼类健康、养殖水质产生不利影响,如直接损害鱼鳃、阻塞生物过滤器、产生氨氮等问题[51-52]。循环水养殖系统可以安全有效地管理、收集和处理鱼类生长过程中积累的固体废液,通过固体沉淀、增氧曝气或氧化添加、好氧生物滤池的硝化作用,把氨氮主要转化为硝态氮,高含量硝态氮可以通过反硝化作用来抵消[53-54]。随着循环水养殖系统水处理工艺技术的不断创新研发,反硝化反应器、污泥浓缩和臭氧处理等技术的发展,使循环水养殖系统更进一步地减少了养殖用水量、固废排放量和能源消耗量[55-58]。目前,开发了较多不同类型的循环水养殖系统固体废液去除设备,如涡旋分离器、悬浮物过滤器、泡沫分离器以及温度控制系统等多种新型设施设备[59-60],能够使有机物和悬浮物的去除率达到85%～98%,磷的去除率达到65%～96%[61-62]。Lindholm-Lehto等[63]采用木屑反硝化和慢砂过滤技术实现了循环水养殖系统的高效水处理,结果表明这种水处理工艺设计适用于优质鱼类的安全生产。Tanikawa等[64]运用下流悬挂海绵反应器进行单级硝化-反硝化的封闭式养殖系统出水处理。该反应器提供了单级硝化-反硝化作用,并与水培床相结合,提供了低成本、高性能的水产养殖废水处理系统,能够应用于产品的安全生产。Xiao等[65]综述了循环水养殖系统水处理工艺设备的研究现状及发展趋势,评价了水处理设备对循环水养殖系统的重要性,指出了水处理设备是循环水系统的关键步骤。Calderini等[66]研究了循环水养殖系统废水的过滤对微藻生长、营养去除和营养价值的影响,结果表明,通过对微藻种类的选择,循环水养殖废水可以进一步用于生产高质量的微藻生物,如水产养殖饲料,而不需要去除水中的污染物和悬浮物。其他研究显示,在封闭式循环水养殖系统中可以有效防止病菌在野生种群和养殖动物之间传播,并避免了来自沿海污染水域的富营养物[67-68]。此外,排放的固体废液更为集中,有利于把固体废液作为肥料或在完全封闭的系统中再回收利用,循环水养殖系统的创新发展让环境更具可持续性。

4 循环水养殖系统养殖密度与病害预防

养殖密度超过临界阈值可能导致密度与鱼类产量之间呈负相关关系[69]。循环水养殖系统可提供鱼类高密度养殖,但不适当的高养殖密度会产生大量的残留饲料、粪便等物质,进而产生氨氮、亚硝态氮等有害物质并滋生大量细菌,导致寄生虫病的暴发,严重影响鱼类的生存[70]。随着世界人口的增长及人均鱼类消费量的增加,循环水养殖系统不仅要生产高产量、高质量的绿色水产品[71],而且必须应对地理位置、水资源可用性等环境影响等因素的限制,在半封闭或全封闭的循环水养殖系统中,开发经济可行的,能对水产品高密度养殖全过程进行监管和控制的病害预防体系,使养殖品种在最佳的环境下获得最快的生长[72-73]。

王峰等[74]研究了工厂化循环水养殖模式下,养殖密度对半滑舌鳎(Cynoglossussemilaevis)成鱼生长和肌肉营养成分的影响,半滑舌鳎在循环水养殖模式下具有很好的适应性,其生长及营养成分均处于较好的状态,可以极大地发掘半滑舌鳎的养殖潜力,因此,工厂化循环水养殖是适合半滑舌鳎集约化养殖的1种优势养殖模式。Riche等[75]在循环水养殖系统中分析3种不同养殖密度对军曹鱼(Rachycentroncanadum)生长特性和个体组成的影响,研究表明,饲养密度≤30 kg/m3,饲养的军曹鱼终末体质量超过2 kg,对生产无不利影响。齐巨龙等[76]利用循环水养殖系统对鳗鲡(Anguillajaponica)进行高密度养殖试验,结果显示,平均体质量为55.6 g的鳗鲡在培养159 d后,10 522尾鳗鲡的成活率为99.7%,总质量由584.6 kg增至1478.0 kg,饲养密度由13.0 kg/m3提高至32.8 kg/m3。任华等[77]发现,循环水养殖系统中杂交鲟(Acipenserbaerii♀×A.schrenckii♂)仔鱼的终末体质量、特定生长率、质量日增加均随饲养密度的增大而升高。有学者开展了封闭式循环水养殖系统中养殖密度对水生动物的生长和生存的影响分析,认为在不降低存活率正常生长的前提下,可以提高饲养密度[78-80]。

5 智慧型循环水养殖系统的开发与设计

循环水养殖系统优化设计目的是尽量减少水资源消耗,控制养殖条件,并使固体废液得到充分管理。可持续水产养殖的目标是使用对生态影响最小的生产系统时,既能实现生产食物又能维护自然资源。因此,循环水养殖系统是实现可持续水产养殖目标的重要抓手。当前我国循环水养殖技术逐渐成熟,但在大流量下循环水养殖系统的网格化、智能化、信息化控制技术及再循环设备功能仍有待改进[86]。现代循环水设备能耗高、运营成本高,迫切需要开发低碳环保能源供应策略及智能优化控制技术,实现清洁能源的使用及设备运行的最优控制[87]来降低能耗及成本。

Steicke等[88]对循环水养殖系统现有产品技术进行深入研究和开发,适应发展中的新趋势和新需求,以自动化和数字化技术为手段开展养殖环境监控,进一步提高循环水设备的智能化控制和资源利用效率,降低生产成本,逐步实现精准化养殖。为了实现“零排放”的目标,需要加大地热能、太阳能、潮汐能等绿色能源的开发和利用[89-91]。目前,循环水养殖系统使用最广泛的国家正在开展生态工程、循环水养殖设备、循环水养殖效率的研究,相应的设备机械化、信息技术和设施是研究的重点目标。通过改进循环水养殖系统资源利用,水产养殖业正朝着标准化、机械化、智能化、集约化的生态效益发展。综上所述,自动化、智能化、经济价值和环境保护是未来水产养殖发展的主导因素[92],开发高效、低能耗、占地小、低投资的系统已成为循环水养殖系统研究的重点方向。

6 展 望

循环水养殖系统可全年在各个地方进行水产养殖,且不受季节性和环境变量的影响,有较高的生物安全级别,可保持良好的水质,有效降低疾病暴发及寄生虫感染的相关风险[93-94]。但循环水养殖系统初始投资高、系统工程复杂、运转成本高昂,大多数循环水养殖系统在发达国家中运行,尚未在发展中国家广泛应用,所以需要对循环水养殖系统的设计和技术应用进行创新研究,开发简单、有弹性、更低成本和更节能的循环水养殖系统。在我国国家政策的大力支持下,进一步加快推动循环水养殖系统的低能耗、低成本、智能化研发成为未来发展的方向。首先,循环水养殖系统的资源能源消耗和温室气体排放是需要关注的主要问题之一。未来我国循环水养殖系统的发展应充分结合经济环境绩效生命周期系统评估,根据评估结果制定有针对性的改进措施,实现环境经济效益的协调发展。其次,积极开展循环水养殖系统技术研发推广,使循环水养殖系统在水产品苗种繁育、暂养、仓储、净化等新兴领域得到广泛应用;促进鱼类产品的疫苗在循环水养殖生产中得到应用,在病害预防管理中发挥重要作用。再次,从宏观角度分析,未来的循环水养殖系统构建应重点布局淡水养殖产业及新兴养殖品种,利用社会非农资本加速构建现代化循环水养殖系统及智慧渔业,从而有效推动我国循环水养殖系统向更高更好水平发展。