中國北方南美白對蝦不同養(yǎng)殖模式環(huán)境影響生命周期評價

陳麗嬌,楊懷宇,張靜怡,孫 琛

(上海海洋大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,上海 201306)

水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展一方面保障了糧食和營養(yǎng)安全,另一方面不可避免地產(chǎn)生了一系列的環(huán)境問題,例如富營養(yǎng)化、酸化、魚粉稀缺等[1-3]。為實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)健康綠色發(fā)展,水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的環(huán)境影響評估十分必要[4]。生命周期評價方法能系統(tǒng)評價研究對象在各個環(huán)節(jié)對環(huán)境的影響,評估更全面,優(yōu)勢更明顯[5]。環(huán)境生命周期評價方法首先開始于工業(yè)企業(yè),近幾年來,水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的環(huán)境生命周期評價極受重視。目前國外相關(guān)研究主要集中在3個方面:(1)不同養(yǎng)殖模式的環(huán)境生命周期比較研究,例如集約型、半集約型和粗放型模式環(huán)境影響比較[6-7]，開放循環(huán)系統(tǒng)和封閉循環(huán)系統(tǒng)對環(huán)境的影響[7-10]，單養(yǎng)模式和混養(yǎng)模式對環(huán)境的影響[11]。(2)不同水產(chǎn)養(yǎng)殖生物的環(huán)境生命周期分析。目前水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境生命周期分析的主要品種為魚類,蝦和貝類養(yǎng)殖也有一定研究,但主要集中在高價值品種,例如鮭魚(Oncorhynchustschawytscha)[7,9,12]、虹鱒魚(Oncorhynchusmykiss)[10,13-14]、花鱸(Lateolabraxjaponicus)[13]、大菱鲆 (Scophthalmusmaximus)[13]、尼羅羅非魚(Oreochromisniloticus)[7]、羅氏沼蝦(Macrobrachiumrosenbergii)[5,15]和貽貝 (MytilusGalloprovincialis)[16]等經(jīng)濟(jì)價值較高的物種。(3)目前水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境生命周期分析較重視氣候變化、酸化和富營養(yǎng)化這3類環(huán)境影響指標(biāo)[14]。

國內(nèi)也逐漸開展了水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境生命周期評價的研究。例如李君等[17]進(jìn)行了海洋貝類利用模式的生命周期評價研究。CAO等[5]對中國海南對蝦集約與半集約型養(yǎng)殖模式進(jìn)行了對比研究。王國棟[18]選取中國北方同一區(qū)域中3種不同集約化水平的刺參養(yǎng)殖模式進(jìn)行生命周期評價。陳中祥等[19]運用生命周期方法對虹鱒的3種養(yǎng)殖模式(網(wǎng)箱養(yǎng)殖、工廠化流水養(yǎng)殖和工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖)的環(huán)境影響進(jìn)行了比較。

筆者以我國北方沿海城市山東省日照市為調(diào)查點,對不同集約水平的南美白對蝦養(yǎng)殖模式進(jìn)行環(huán)境生命周期評價,量化比較不同養(yǎng)殖模式下及不同養(yǎng)殖階段的環(huán)境影響。該研究不僅能為今后開展南美白對蝦綠色健康生態(tài)養(yǎng)殖提供參考,也能為水產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)補(bǔ)償政策提供依據(jù),具有重要的應(yīng)用價值。

1 研究方法

1.1 養(yǎng)殖模式

工廠化養(yǎng)殖均為大棚內(nèi)水泥池養(yǎng)殖,一個棚中建有32個池子,每個池子面積為36 m2,深度為1.2 m。南美白對蝦前期蝦苗放養(yǎng)密度為500～600尾·m-2,養(yǎng)至60 d左右擴(kuò)充至原來3倍左右大的池子繼續(xù)養(yǎng)殖,直至成蝦收獲。每天投喂5次。24 h連續(xù)充氧。養(yǎng)殖用水由水泵抽取地下海水至養(yǎng)殖池。工廠化養(yǎng)殖數(shù)據(jù)來源于5個樣本點。

池塘養(yǎng)殖大多建在距海5到10 km的近海海域,土池養(yǎng)殖,用充氧泵間歇性充氧,養(yǎng)殖用水由水泵抽取地下海水至養(yǎng)殖池。每個養(yǎng)殖池一般在0.024 hm2左右,水深約1.5 m,依賴自然溫度養(yǎng)殖。池塘養(yǎng)殖數(shù)據(jù)來源于5個樣本點。

1.2 數(shù)據(jù)的收集和處理

通過國家蝦蟹產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系調(diào)研完成數(shù)據(jù)收集,選取的樣本點均為國家蝦蟹產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系定點觀測點,所有物質(zhì)和能量的投入以及相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)由養(yǎng)殖從業(yè)者提供,排放數(shù)據(jù)由日照市海洋與漁業(yè)研究所提供,數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測有較為嚴(yán)格的把控,樣本點養(yǎng)殖戶養(yǎng)殖技術(shù)處于行業(yè)中高水平。數(shù)據(jù)處理及環(huán)境生命周期建模采用eFootprint在線環(huán)境生命周期分析軟件進(jìn)行。

1.3 環(huán)境影響類型指標(biāo)選取

參考國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Organization for Standardization,ISO)、環(huán)境毒理學(xué)與化學(xué)學(xué)會(Society of Environmental Toxicology and Chemistry,SETAC)、美國環(huán)境保護(hù)局(United States Environmental Protection Agency,USEPA)等國際組織的觀點[20]以及水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的實際情況,主要關(guān)注以下5種環(huán)境影響:氣候變化(GWP)、初級能源消耗(PED)、水資源消耗(WU)、酸化(AP)和富營養(yǎng)化潛值(EP)[21](表1)。首先，氣候變化和能源消耗是目前學(xué)界關(guān)注的重點;其次，水資源在中國北方是重要的限制性因素,富營養(yǎng)化也是水產(chǎn)養(yǎng)殖最受詬病的環(huán)境影響;第三,雖然水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的最終生產(chǎn)并不會排放SO2、NOx、NH3,但是在水產(chǎn)養(yǎng)殖投入品的生產(chǎn)和能源使用過程中可能有較多排放,所以在整個南美白對蝦養(yǎng)殖生命周期中也考慮了酸化指標(biāo)。

表1 環(huán)境影響指標(biāo)類型Table 1 Types of environmental impact index

1.4 生命周期評價模型

南美白對蝦生命周期評價模型采用eFootprint軟件構(gòu)建,數(shù)據(jù)庫為中國生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(CLCD),主要包括國內(nèi)能源消耗、交通運輸、原材料等的數(shù)據(jù)集清單。生命周期評價模型[17]計算公式為

ηEP(j)=∑ηEP(j)i=∑[Q(j)i·ηEF(j)i]。

(1)

式(1)中,ηEP(j)為養(yǎng)殖活動對第j類潛在環(huán)境影響類型的貢獻(xiàn)值;ηEP(j)i為南美白對蝦生命周期中第i類環(huán)境影響因子對第j類環(huán)境影響的貢獻(xiàn)值;Q(j)i為南美白對蝦生命周期第j類環(huán)境影響類型所包含的第i種物質(zhì)排放量;ηEF(j)i為第i種產(chǎn)出物質(zhì)對第j種潛在影響的當(dāng)量因子。

1.4.1特征化

在eFootprint軟件上建模計算得到2種養(yǎng)殖系統(tǒng)中單位產(chǎn)量(各生產(chǎn)1 t南美白對蝦)的生命周期評價(LCA)計算結(jié)果,根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 14044《環(huán)境管理 生命周期評價 要求與方針》和我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24040—2008《環(huán)境管理 生命周期評價 原則與框架》的規(guī)范和建議,采用當(dāng)量因子法[22-23]對環(huán)境影響進(jìn)行特征化〔根據(jù)不同物質(zhì)對同一種環(huán)境影響類型的影響潛在程度,將其中1種物質(zhì)作為基準(zhǔn)物質(zhì)(影響潛值取1),當(dāng)量因子為相同質(zhì)量的其他物質(zhì)影響潛力與該基準(zhǔn)物質(zhì)影響潛值的比值〕。

(2)

式(2)中,Sk為第k種環(huán)境影響潛值的特征化結(jié)果;Qi為每單位投入或排放i物質(zhì)的清單數(shù)量;ηEP(i)為第i種物質(zhì)的環(huán)境影響當(dāng)量因子。

1.4.2標(biāo)準(zhǔn)化及加權(quán)評估

(1)標(biāo)準(zhǔn)化。為比較不同類型環(huán)境影響的相對大小,將特征化結(jié)果根據(jù)所選基準(zhǔn)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)值采用2000年全球人均環(huán)境影響潛值[24]。

ηNP(j)=ηEP(j)/ηER(j)2000。

(3)

式(3)中,ηNP(j)為標(biāo)準(zhǔn)化后的潛在環(huán)境影響和資源消耗;ηER(j)2000為2000年第j類環(huán)境影響類型的基準(zhǔn)值。

(2)加權(quán)評估。不同環(huán)境影響類型對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康的影響并不相同,所以需要對不同環(huán)境影響進(jìn)行加權(quán)評估。權(quán)重值采用王明新等[25]設(shè)置的權(quán)重系數(shù)并對不同環(huán)境影響進(jìn)行加權(quán)評估。

南美白對蝦生命周期評價環(huán)境影響指數(shù)公式為

ηWP(j)=ηWF(j)·ηNP(j)。

(4)

式(4)中,ηWP(j)為第j種環(huán)境影響潛值標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果;ηWF(j)為第j種環(huán)境影響的權(quán)重系數(shù)。

2 結(jié)果和討論

2.1 系統(tǒng)邊界與功能單位

研究主要考慮南美白對蝦養(yǎng)殖生產(chǎn)系統(tǒng)的環(huán)境影響,不包括銷售及消費階段的環(huán)境影響,具體包括養(yǎng)殖場基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)(投入品主要為水泥、紅磚、聚乙烯等,該項投入已根據(jù)使用年限分?jǐn)傊撩磕?、南美白對蝦成蝦養(yǎng)殖(投入品主要為電、水、飼料,已根據(jù)需要轉(zhuǎn)化為每1 t耗費量)以及物質(zhì)運輸過程中的輸入和排放。分析中未包括蝦苗的繁育以及消費階段的環(huán)境影響(圖1)。環(huán)境生命周期分析的功能單位為1 t南美白對蝦[24]。

圖1 南美白對蝦養(yǎng)殖系統(tǒng)生命周期流程Fig.1 Life cycle flow chart of Penaeus vannamei culture system

2.2 投入-產(chǎn)出清單分析

南美白對蝦養(yǎng)殖過程中的投入-產(chǎn)出清單如表2所示。清單中的數(shù)據(jù)為不同養(yǎng)殖系統(tǒng)中單位產(chǎn)量(各生產(chǎn)1 t南美白對蝦)的投入和產(chǎn)出,表格中的數(shù)值為樣本點均值。

表2 2種養(yǎng)殖系統(tǒng)中單位產(chǎn)量(各生產(chǎn)1 t南美白對蝦)的投入和產(chǎn)出Table 2 Input and output analysis of per unit production (1 ton of Penaeus vannamei)in two systems

1)養(yǎng)殖場基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入品已根據(jù)使用年限及使用年限內(nèi)產(chǎn)量,將其轉(zhuǎn)換成1 a內(nèi)1 t蝦的投入。2)氨氮和COD為換水前測定,由此可估計養(yǎng)殖氨氮和COD排放量。

2.3 影響評估

通過eFootprint軟件建模計算得2種養(yǎng)殖系統(tǒng)中單位產(chǎn)量的生命周期評價(LCA)計算結(jié)果(表3)。工廠化養(yǎng)殖產(chǎn)生的環(huán)境影響大于池塘養(yǎng)殖。

表3 2種養(yǎng)殖系統(tǒng)中單位產(chǎn)量(生產(chǎn)1 t南美白對蝦)的LCA計算結(jié)果Table 3 LCA calculation results of per unit production (1 ton of Penaeus vannamei)in two systems

2.4 環(huán)境影響潛值標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)評估結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)評估結(jié)果(表4)顯示水資源消耗以及富營養(yǎng)化是水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)中最大的環(huán)境影響類型,標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果為LCA結(jié)果除以基準(zhǔn)值(無量綱)。

2.5 分析和討論

2.5.1基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)階段環(huán)境影響最大

比較南美白對蝦養(yǎng)殖的3個階段,各個階段的環(huán)境影響大小依次為基礎(chǔ)設(shè)施、飼料生產(chǎn)階段和成蝦養(yǎng)殖階段(表5)。基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)所產(chǎn)生的環(huán)境影響遠(yuǎn)大于飼料生產(chǎn)和成蝦養(yǎng)殖階段?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面的環(huán)境影響主要表現(xiàn)在生產(chǎn)原料的制造上,即煤、化石燃料的消耗,水資源的消耗以及溫室氣體的排放,這與前人研究結(jié)果[5,18]基本一致。

表4 環(huán)境影響潛值標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)評估結(jié)果Table 4 Results of standardization and weighted assessment of environmental impact potential

1)來源于文獻(xiàn)[24]中2000 年全球人均環(huán)境影響潛值;2)來源于文獻(xiàn)[25]中專家組評議設(shè)置的權(quán)重系數(shù)。

表5 工廠化養(yǎng)殖模式與池塘養(yǎng)殖模式3個階段環(huán)境影響指標(biāo)值Table 5 Value of environmental impact index in three stages of industrialized and pond culture modes

盡管近年來養(yǎng)殖廢水污染備受關(guān)注,但從整個養(yǎng)殖生命周期來看,成蝦養(yǎng)殖階段環(huán)境影響大多小于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與飼料生產(chǎn)階段。因此,從環(huán)境污染治理的角度來看,加強(qiáng)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境生命周期的上游階段治理可能效果更明顯。

2.5.2池塘養(yǎng)殖模式環(huán)境影響總量小于工廠化養(yǎng)殖

從生命周期角度來看,池塘養(yǎng)殖模式產(chǎn)生的環(huán)境影響小于工廠化養(yǎng)殖(表5)。國外相關(guān)研究也說明了這點,例如PELLETIER等[7]對比了粗放與半集約化2種養(yǎng)殖模式,發(fā)現(xiàn)印度尼西亞生產(chǎn)1 t羅非魚半集約化養(yǎng)殖模式的環(huán)境影響總量是粗放型養(yǎng)殖模式的1.2倍。CAO等[5]發(fā)現(xiàn)集約型養(yǎng)殖模式的環(huán)境影響總量是半集約的2倍以上。通常來講,池塘養(yǎng)殖模式依賴氣候條件和水質(zhì)條件,因此養(yǎng)殖密度較工廠化養(yǎng)殖小,電能、飼料投喂和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面的相關(guān)投入遠(yuǎn)小于工廠化養(yǎng)殖,所以造成的環(huán)境影響較小。

2.5.3水資源消耗在整個養(yǎng)殖活動產(chǎn)生的環(huán)境影響占比最大

從整個養(yǎng)殖活動來看,水資源的消耗是5個環(huán)境影響指標(biāo)中最大的。工廠化養(yǎng)殖的水資源消耗遠(yuǎn)大于池塘養(yǎng)殖(表5)。水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)需要消耗較多的水資源,而為提高經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益,需要改善水域環(huán)境的水質(zhì)和底質(zhì)情況,需定期換水來保證水質(zhì)[26],水資源消耗更大。

2.5.4富營養(yǎng)化在成蝦養(yǎng)殖活動產(chǎn)生的環(huán)境影響占比最大

僅考察成蝦養(yǎng)殖階段的環(huán)境影響,富營養(yǎng)化所占比例最高。前人研究結(jié)果也表明,養(yǎng)殖集約化程度越高,富營養(yǎng)化程度愈烈。如AUBIN等[13]研究了2種虹鱒養(yǎng)殖模式的環(huán)境影響,認(rèn)為集約化程度越高,富營養(yǎng)化指標(biāo)越大。MUNGKUNG等[15]研究了2種養(yǎng)殖物種(鯉魚和羅非魚)同一集約程度的環(huán)境影響大小,發(fā)現(xiàn)在養(yǎng)殖活動中,富營養(yǎng)化是最主要的環(huán)境影響。實地調(diào)研中也發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖活動中會有個別養(yǎng)殖戶池塘中藻類瘋長,富營養(yǎng)化嚴(yán)重,且養(yǎng)殖廢水不經(jīng)處理就直接排放至自然水體。南美白對蝦工廠化養(yǎng)殖模式養(yǎng)殖密度是池塘養(yǎng)殖的16倍,飼料過度投喂及轉(zhuǎn)化率低均導(dǎo)致富營養(yǎng)化水體排放量更大。

3 建議

(1)加強(qiáng)水產(chǎn)養(yǎng)殖上游行業(yè)的環(huán)境治理。研究結(jié)果表明,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的環(huán)境影響在整個生命周期評價過程中的占比超過50%,水產(chǎn)養(yǎng)殖的上游行業(yè)是環(huán)境污染的主要貢獻(xiàn)者。因此,將環(huán)境治理的焦點集中于產(chǎn)業(yè)鏈的始端,會對水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展起到事半功倍的作用。上游行業(yè)的減排和綠色升級不是漁業(yè)管理部門和地方環(huán)境管理部門能夠承擔(dān)的工作,需要國家的宏觀調(diào)控,從立法、司法、財政、稅收等多方面來解決這一問題。

(2)權(quán)衡考慮池塘養(yǎng)殖和工廠化養(yǎng)殖的生產(chǎn)規(guī)劃。池塘養(yǎng)殖模式環(huán)境影響指數(shù)小于工廠化養(yǎng)殖,但池塘養(yǎng)殖模式占地面積大,產(chǎn)量低,生產(chǎn)過程難以監(jiān)控,水產(chǎn)品質(zhì)量安全難以保證,片面強(qiáng)調(diào)環(huán)境影響而采用池塘養(yǎng)殖模式可能會造成水產(chǎn)養(yǎng)殖量供給不足。水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)發(fā)展需以生態(tài)目標(biāo)、社會目標(biāo)和經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和諧統(tǒng)一為發(fā)展方向,這需要當(dāng)?shù)卣蜐O業(yè)管理部門的合理規(guī)劃和有效指導(dǎo),要求當(dāng)?shù)卣蛘邼O業(yè)部門因地制宜推廣池塘養(yǎng)殖或者工廠化養(yǎng)殖模式。

(3)改進(jìn)飼料成分,精細(xì)投餌。養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的富營養(yǎng)化污染所占比例較大,主要原因在于在南美白對蝦養(yǎng)殖階段飼料的過度投喂。養(yǎng)殖戶總是依靠自身經(jīng)驗決定投喂飼料量,從而造成了飼料剩余,養(yǎng)殖廢水各種指標(biāo)超標(biāo),水質(zhì)富營養(yǎng)化現(xiàn)象嚴(yán)重。這就需要政府部門加大養(yǎng)殖技術(shù)指導(dǎo),開設(shè)相關(guān)養(yǎng)殖培訓(xùn)課程或者增派技術(shù)專家現(xiàn)場指導(dǎo),規(guī)范養(yǎng)殖流程,提高養(yǎng)殖科學(xué)化和標(biāo)準(zhǔn)化。另外,工廠化養(yǎng)殖南美白對蝦大多是單養(yǎng)模式,可適當(dāng)發(fā)展混養(yǎng)模式,可以有效提高飼料利用率。調(diào)研中也發(fā)現(xiàn),有養(yǎng)殖戶在池塘南美白對蝦養(yǎng)殖中搭配扇貝養(yǎng)殖,可起到清潔底質(zhì),改善水質(zhì)的作用。

(4)提高水資源的有效利用。在成蝦養(yǎng)殖階段,水資源消耗是最重要的環(huán)境影響。無論工廠化養(yǎng)殖還是池塘養(yǎng)殖均需定期換水來保證水質(zhì),養(yǎng)殖用水量巨大,水資源消耗嚴(yán)重。另外調(diào)研地區(qū)所有養(yǎng)殖戶均將養(yǎng)殖廢水不經(jīng)處理直接排放入海,造成附近海域富營養(yǎng)化。一方面,當(dāng)?shù)卣颦h(huán)保部門應(yīng)該加大環(huán)保支持力度,大力提倡循環(huán)水養(yǎng)殖,提高水資源利用效率,配合采用財政補(bǔ)貼等方式,積極推動養(yǎng)殖戶引進(jìn)先進(jìn)廢水處理裝置,同時加強(qiáng)監(jiān)督管理,秉承“誰污染誰治理”原則,有效遏制廢水隨意排放現(xiàn)象,提升養(yǎng)殖戶養(yǎng)殖管理水平。

(5)建立對蝦生態(tài)標(biāo)簽,引導(dǎo)市場綠色消費。在實地訪談?wù){(diào)研時也發(fā)現(xiàn),較少水產(chǎn)品有生態(tài)標(biāo)簽。因此,政府及相關(guān)環(huán)境保護(hù)部門應(yīng)充分發(fā)揮相關(guān)職能,完善對蝦生態(tài)標(biāo)簽,加強(qiáng)對養(yǎng)殖戶進(jìn)行生態(tài)標(biāo)簽相關(guān)培訓(xùn)與引導(dǎo),提高養(yǎng)殖戶對生態(tài)標(biāo)簽的接受度和認(rèn)可度,培養(yǎng)養(yǎng)殖戶創(chuàng)建生態(tài)標(biāo)簽的積極性。同時,提高消費者對水產(chǎn)品生態(tài)標(biāo)簽的認(rèn)知度和重視程度,普及相關(guān)生態(tài)養(yǎng)殖知識,引導(dǎo)綠色消費。