舟山市东极大黄鱼养殖系统能值评估

2013-12-16蔡慧文吴常文

生态学报 2013年12期

宋科，赵晟，蔡慧文，吴常文

(国家海洋设施养殖工程技术研究中心浙江海洋学院，舟山 316004)

大黄鱼(Larimichthys crocea)隶属鲈形目(Perciformes)，石首鱼科(Sciaenidae)，主要分布在中国东海和黄海南部，曾与小黄鱼、带鱼、乌贼合称中国的“四大海产”。20世纪70年代，由于对大黄鱼过渡捕捞，导致其资源数量剧烈下降。到80年代，近海主要大黄鱼产卵场受到严重破坏，已经不能形成渔汛。我国在1985年成功地解决了大黄鱼的人工繁殖和网箱养殖技术［1］。经过近30年的发展，养殖规模逐步扩大，产量也逐年增加。大黄鱼已成为我国养殖规模最大的海产鱼类和六大优势出口养殖水产品之一［2］。随着大黄鱼网箱养殖业的快速发展，养殖活动对海域生境产生了影响，其对沿海生态系统造成了破坏［1，3］。如何定量评价大黄鱼养殖系统的可持续性，分析相关影响因素及找到有效的解决方法，对于大黄鱼养殖产业发展具有重要理论及现实意义。

能值理论和方法是以美国著名生态学家、系统能量分析先驱Odum［4-9］为首，于20世纪80年代创立的。应用能值这一度量标准及其转换单位——能值转换率，可将生态经济系统内流动的和储存的各种不同类别的能量和物质转换为同一标准——能值，以能值为共同单位，为评估系统中不同类型的能量与物质提供一种有效途径［10-16］。本研究运用建立的能值指标体系，定量的评价了东极大黄鱼养殖系统的可持续性。该方法已经广泛应用于定量评价城市［17-18］、水域［19-21］、农业［15，22-24］等各种生态系统。本文依据能值理论建立能值指标体系，对东极大黄鱼养殖系统内能流和物流进行了分析，评价该养殖系统的可持续性，以期为大黄鱼养殖产业的发展提供科学依据。

1 研究对象和方法

1.1 研究地点

本研究在浙江大海洋科技有限公司位于舟山市东极海域的养殖基地进行。大黄鱼养殖系统位于30°12'17.9″N、122°41'55.4″E，年均气温 16.5℃，年均降雨量 1351mm，年均太阳辐射量大约为 4805×106J/m2［25-26］。养殖海域内共有大黄鱼深水网箱15个，每个网箱的体积是637m3，总养殖面积为66670m2。养殖用大黄鱼幼苗2011年6月前后购自于福建省，置于养殖基地进行人工养殖，每个网箱初始放养鱼苗数量约4000尾，每天投放两次饵料，养殖周期约6个月，成活率95%左右，12月份收获，收获产量35.75t，个体平均重量550g，大黄鱼的市场售价平均值是100元/kg。大黄鱼养殖系统投入的各项基础数据见表1。其中粉碎机、发电机、网箱、渔网的使用寿命均按照10a计算，一次性投入的基本建设费用使用期限也按照10a计算(上述5项并不是每年投入，均可重复使用。依据浙江大海洋科技有限公司相关人员经验，以及材料的材质和性能，将使用寿命定为10a)。

表1 东极大黄鱼养殖系统能值分析的基础数据Table 1 Basic data in emergy analysis of large yellow croaker aquaculture system in Dongji

1.2 研究方法

Odum等运用能值理论对不同类型养殖系统进行了评估，表明能值理论不仅能够客观地评价水产养殖的经济收益，而且能够评价养殖系统对生态环境的影响。在综合考虑影响大黄鱼养殖系统的自然资源和社会条件的基础上，通过能值分析理论，以及养殖过程中的各种物质、能量、信息的输入和输出能值数量，构建了大黄鱼养殖系统的能值流动图(图1)。

大黄鱼养殖系统能量来源分为可更新的环境资源投入能值(R)和购买的外部资源投入能值(F)。可更新资源包括太阳能、风能、雨水化学能、雨水势能、地球循环、潮汐能，购入的外部资源包括养殖期间投入系统中的鱼苗的费用、基本建设费、劳动力、电费、设备费用等。根据表1和图1以及系统能值分析理论，建立一系列能值指标来定量分析大黄鱼养殖系统(表2)。

图1 东极大黄鱼养殖系统能值流动图Fig.1 Emergy flow diagram of large yellow croaker aquaculture system in Dongji

表2 东极大黄鱼养殖系统能值指标Table 2 Emergy indices of large yellow croaker aquaculture system in Dongji

太阳能值转换率(TR)是大黄鱼养殖系统中投入的总能值(Y)(Y=R+F，式中R是大黄鱼养殖系统中投入的雨水化学能、潮汐能、地球循环三部分可更新资源的总和，F是大黄鱼养殖系统中投入的购买外部资源的总和)与产出大黄鱼的总热量(Q)(Q=M×C，M是产出的大黄鱼重量，C是实验室测量得到的大黄鱼的热值)的比值。TR是在产品转换成单位有效能量过程中所需要的能值，它是能量转换系统中或者能量转换过程中效率的表现［11，14］。对于有较高的能值转换率的产品意味着在产品的生产过程中产出一个单位的有效能量需要更多的能值输入。

能值功率密度(EPD)是大黄鱼养殖系统投入的总能值量Y与养殖系统所占的海域面积(area)的比值，表示大黄鱼养殖系统单位面积投入的能值量。

环境承载力(ELR)为购买的外部资源能值F与可更新资源能值R的比值，表示海水养殖对于生态环境造成的压力。在大黄鱼养殖系统中，环境承载力的值越大表示该养殖系统所承受的压力也越大。相反，若是该值小则该养殖系统的生态环境的可持续性发展仍具有开发的潜力［15］。

能值产出率(EYR)是指该生态系统利用资源的效率，为系统中投入的总能值Y与大黄鱼养殖系统购买的外部资源能值总和F的比值。其数值大小表明本地资源对大黄鱼养殖系统生产过程的潜在贡献率。

能值投入的生产效率(PEEI)，PEEI=EYR/TR，是大黄鱼养殖系统的能值产出率EYR与养殖系统的太阳能值转换率TR的比值［27］，表示整个大黄鱼养殖系统的生产效率，在数值上等于系统中投入的每单位的购买的外部能值所产出的有用的物质、能量或者是信息。

产量的能值转换率EERY=Ym/Y，为大黄鱼养殖系统货币产出的总能值Ym(Ym为产量乘以平均售价计算得到的大黄鱼的年产值，再乘以货币的太阳能值转换率)与系统中投入的总能值Y的比值，可以度量大黄鱼销售中获得的能值效益。

能值持续性指数(ESI)，ESI=EYR/ELR是能值产出率EYR和环境承载力ELR的比值，该指标指示大黄鱼养殖系统的可持续性。

可持续性发展的能值指数(EISD)，EISD=EYR×EERY/ELR是能值产出率(EYR)与产量的能值转换率(EERY)之积，再除以环境承载力(ELR)而得。该指标是在考虑市场交换对能值产量影响的条件下，度量大黄鱼养殖系统的可持续性。

采用能值持续性指数ESI以及指示可持续性发展的能值指数EISD来评价养殖系统的可持续性。ESI是一个广泛用于大范围长时期研究持续性的能值指标。另外，EISD是在考虑了市场改变对于特殊的系统或者过程作用效果的前提下，指示局部尺度持续性的指标。ESI和EISD这两个指标在度量持续性的问题中是一对相辅相成的指标。

鉴于对最佳管理方式考虑，对大黄鱼养殖系统中主要的能值投入项进行了敏感性分析。通过改变能值的投入量(本文中选取的是购买的外部资源投入能值比例中占前两位的饵料和幼鱼，以及可更新资源投入比例中占首位的雨水化学能)。分析能值数量的改变对系统的各相关能值指标产生的影响，从而找到系统中的敏感因子，为进一步提高养殖系统的可持续性提供支持［27］。

2 结果

根据图1东极大黄鱼养殖系统能值流动图，和表1东极大黄鱼养殖系统能值分析的基础数据表中各种投入和产出，将各项指标转化为统一的能值(本文中能值转换率均按9.44×1024sej/a的基准进行折算)，对整个大黄鱼养殖系统进行评价。

2.1 能值评价结果

大黄鱼能值分析结果见表3。大黄鱼养殖系统投入的资源分为两个部分:可更新资源和购买的外部资源，大黄鱼养殖系统投入的总能值是1.38×1018sej。其中可更新资源有太阳能、风能、雨水化学能、地球循环、潮汐能、雨水势能。将其中的雨水化学能、地球循环、潮汐能三项加和计算，得到的可更新资源为1.50×1016sej，占总投入能值的1.09%。雨水化学能在可更新资源中占比例最大，投入能值量是8.10×1015sej，占总能值投入的0.59%，位于第二的地球循环，能值量是6.88×1015sej，占总能值投入的0.50%，潮汐能的能值只有1.46×1013sej，占总能值投入接近于0%。购买的外部资源有:租金、劳动力、幼鱼鱼苗、电能、粉碎机、发电机、网箱、渔网、柴油、饵料、基本建设费等，能值之和是1.37×1018sej，占大黄鱼养殖系统总能值投入的98.91%。在购买的外部资源中以幼鱼鱼苗的投入最大，其能值为5.72×1017sej，占总能值投入的41.47%，其次是饵料，其能值是3.75×1017sej，占总能值投入的27.17%。2011年东极大黄鱼的产量35.75t，利用实验室HWR-15E智能快速热量计测量的大黄鱼的热值［30］26382J/g，则产出的大黄鱼的热量(Q)为9.43×1011J。大黄鱼养殖过程中各项能值投入的百分比见图2。

2.2 能值分析指标

大黄鱼养殖系统各能值指标结果见表4。表4中各部分的计算方法见表2和表3，数据来源见表1。此外还将各能值指标与珠江口3个不同鱼种养殖系统的数据进行对比分析。大黄鱼养殖系统的太阳能值转换率TR 1.46×106sej/J、能值功率密度EPD 2.07×1017sej·hm-2·a-1、环境承载力ELR为91.10、系统能值产出率EYR 1.011、能值持续性指数ESI为0.011，可持续性发展的能值指数EISD是0.02。

表3 东极大黄鱼养殖系统能值分析表Table 3 Emergy analysis of the large yellow croaker aquaculture system in Dongji

图2 东极大黄鱼养殖系统各项能值投入结构图Fig.2 Structure of the emergy inputs to the large yellow croaker aquaculture system in Dongji

2.3 敏感性分析

为了分析能值投入变化对系统的影响，模拟在实际养殖过程中改变某些指标投入对养殖系统造成的影响。通过增加或者减少相应指标的能值数值(表5)，来分析其对系统持续性的影响(选取的是购买的外部资源投入能值比例中占前两位的幼鱼鱼苗和饵料，以及可更新资源投入比例中占首位的雨水化学能，分别做加倍和减半的处理)［27］。

3 讨论

太阳能值转换率TR是来自于总能值投入中转换成有效能量的量，表示系统的转换效率。本研究中该值是1.46×106sej/J，说明在大黄鱼养殖系统产出一焦耳大黄鱼，需要的有效太阳能值输入量为1.46×106太阳能焦耳。与珠江口3个不同鱼种养殖系统［27］以及养鸡系统［32］相比，它们的太阳能转换率均在同一个数量级上。该值与Li［27］等研究中3个不同鱼种养殖系统的平均值1.82×106sej/J相比偏小，说明生产1J的大黄鱼需要投入的太阳能值与平均水平相比较少，其生态系统的生产效率相对较高。

表4 东极大黄鱼养殖系统与珠江口3个不同鱼种养殖系统相关能值指标的对比Table 4 The emergy indices comparison of large yellow croaker aquaculture system in Dongji With three aquaculture systems surrounding the Pearl River Estuary

表5 东极大黄鱼养殖系统的敏感性分析Table 5 Sensitivity analysis of large yellow croaker aquaculture system in Dongji

大黄鱼养殖系统的环境承载力ELR为91.10。该值越高表示养殖过程对环境的压力越高。理论上如果没有不可更新资源的投入，系统仅靠可更新资源的驱动则环境承载力ELR就等于零［32］。本研究中大黄鱼养殖系统外部购买的能值远远大于可更新资源的能值输入，说明系统对外部购买能值的依赖程度高。同时由于系统使用的可更新资源量远小于外部购买的能值输入，也是环境承载力高的原因。对比珠江口3个不同鱼种养殖系统［27］的环境承载力ELR，东极大黄鱼养殖系统是珠江口养殖系统的3.5倍左右。主要原因是大黄鱼养殖系统中，劳动力和幼鱼鱼苗资金投入等指标明显高于珠江口养殖系统，养殖过程过分依赖外部购买的资源投入，导致环境承载力偏高，说明现行的大黄鱼养殖模式需要进一步完善。可以通过两个方面来提高其环境持续性:一是通过改变鱼类幼苗投入量或者提高饵料的利用效率;二是通过提高劳动效率或者改进养殖技术实现从依靠劳动力向依靠技术的转变。

大黄鱼养殖系统能值产出率EYR为1.011。EYR的最小值是1，指系统中投入的能值全部来自购买的外部资源，而没有利用可更新资源的情况［32］。大黄鱼养殖过程中更多依赖购买的外部资源，而可更新资源对大黄鱼养殖系统生产过程的潜在贡献率非常小，说明大黄鱼养殖系统对购买的外部资源的依赖程度相对较高，经济成本也相对较高，在市场竞争中缺乏优势，因此对东极大黄鱼养殖模式的改进非常必要。

大黄鱼养殖系统能值投入的生产效率PEEI为6.91×10-7，其数值表示大黄鱼养殖系统中投入每单位购买的外部能值所产出的有用的物质、能量或者信息的值，该值越大表示系统的生产效率越高。与Li［27］等的相关研究的3个不同鱼种养殖系统的平均值6.03×10-7相比偏大，说明东极大黄鱼养殖系统的生产效率比之要高。能值投入的生产效率PEEI与太阳能值转换率TR均显示东极大黄鱼养殖系统的生产效率高。生产效率较高但是能值产出率EYR较低，导致这一结果的原因是系统在养殖过程中利用的当地可更新资源较少造成的。

大黄鱼养殖系统的产量能值转换率EERY为2.20，该指标说明通过销售大黄鱼养殖系统获得的能值比投入的能值多120%。大黄鱼养殖系统通过市场交换之后得到的能值远高于投入的，也说明该系统的生产效率较高。此处与PEEI指标的结果一致。

大黄鱼养殖系统的能值持续性指数ESI为0.011，可持续性发展的能值指数EISD是0.02。两个持续性指标与Li［27］等相关研究中珠江口3个养殖区的相比偏小，说明大黄鱼养殖系统的可持续性比珠江口养殖区3个养殖系统的可持续性差。从表4看出大黄鱼养殖系统的两个表示可持续性的指数ESI和EISD值均低于珠江口的养殖系统，分析是由于养殖模式不合理，可持续性发展受到影响。而持续性指数均与环境承载力ELR呈负相关，因此之前讨论的降低环境承载力也是提高系统可持续性的有效途径。

由敏感性分析(表5)得知，变化最明显的是可更新资源雨水化学能投入增加1倍时，大黄鱼养殖系统的能值持续性指数ESI增加了54.93%，可持续性发展的能值指数EISD增加了54.03%，环境承载力ELR降低了35.08%。说明提高雨水化学能的投入是提高养殖系统持续性、减小环境承载力的有效途径。养殖系统中投入幼鱼的数量减半时，能值持续性指数ESI增加了26.89%，可持续性发展的能值指数EISD增加了60.08%，两者都有明显的提高，说明大黄鱼养殖系统的养殖密度偏大。另外饵料减半时，能值持续性指数ESI增加了16.12%，可持续性发展的能值指数EISD增加了34.38%，大黄鱼养殖系统的环境承载力ELR降低了13.73%。说明在养殖过程中存在投饵过剩的现象，当投饵减半时，大黄鱼养殖系统的环境承载力会降低，对环境的压力减小。依据敏感性分析，雨水化学能的增加对大黄鱼养殖系统能值持续性指数和可持续性发展指数影响最大，因此将养殖系统的地址选择在降雨量较高的区域，可能是保证养殖系统持续发展的重要条件之一。大黄鱼养殖系统的养殖密度偏大，应作适当调整，或降低网箱养殖密度，或适当增加养殖网箱的数量，从而提高系统的持续性。另外饵料量过剩也是造成环境承载力高，环境持续性差的原因，所以解决养殖饵料的使用量和利用率也是实现养殖系统可持续发展的因素之一。

4 结论

基于能值分析法评价了东极大黄鱼养殖系统——深水网箱养殖模式的环境持续性。该方法解决了传统方法中无法将不同量纲的自然投入和人为投入统一计算的问题，用相同的标准——能值，对大黄鱼养殖系统中投入的各种物质和能量做了综合分析，建立相关的能值指标体系评价了大黄鱼养殖系统发展的可持续性。

根据大黄鱼养殖系统中投入的能值及相关能值指标结果分析，发现可更新资源占很小比重，购买的外部资源投入中幼鱼和饵料这两个指标占主导优势，环境承载力(ELR)非常高，养殖系统对购买的外部资源的依赖程度相对较高。而可持续性发展的能值指数(EISD)表明大黄鱼养殖系统的环境持续性较差。

为了提高大黄鱼养殖系统的持续性，需要特别关注两个问题:一是提高系统中使用的自然可更新资源的比例，二是降低购买的外部资源的比例。根据敏感性分析，雨水化学能的增加会提高可更新资源的比重，进而提高大黄鱼养殖系统能值持续性指数ESI和可持续性发展的能值指数EISD。因此深水网箱养殖系统选址时，尽可能选择降雨较多，可以带来较高雨水化学能投入的区域，这样可以提高大黄鱼养殖系统对可更新自然资源的利用。另外通过改变鱼类幼苗投入量或者降低饵料的使用量、提高饵料的利用效率，提高大黄鱼养殖系统发展的可持续性。

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