深水网箱养殖对海域水质及底质环境的影响研究进展

葛伟宏，王兴强*，苏家齐

1.江苏海洋大学海洋科学与水产学院，江苏连云港 222005；2.中国水产科学研究院南海水产研究所，广州 510300

中国的水产养殖产量约占全球70%，而在新冠疫情、蝗灾等严峻形势下，水产养殖更是发挥了重要作用，尤其是在提供优质蛋白质这一方面，起到了至关重要的作用[1]。网箱养殖是目前应用最为广泛的海洋养殖方式之一，通过输入外源物质和能量而获得高效率的产出。网箱可以分为近岸浅海区域的传统小型木质网箱和深水抗风浪网箱2种。传统小型木质网箱受材质、结构的限制，抗风浪性能差，只能在风浪较小的近岸浅水区域或内湾养殖，这些区域水体浅，水动力弱，水体自身净化能力低，养殖所产生的自身污染容易导致环境恶化，不仅导致病害频发，养殖经济效益低，而且引起近岸养殖海域环境质量下降[2]。目前浅海开发基本饱和，尤其是在国家生态环保政策要求逐年提高的大背景之下，近岸海域已经没有开发的潜力，必须向外海深海寻求新的发展空间，于是深水网箱养殖应运而生。深水网箱是指在海水深度大于20 m 的开阔性海域使用的养殖网箱，相较传统近海网箱具有环保、耐用、抗风浪等显著优势。深水网箱主要用于在水动力和自净化能力更强的深水区域养殖，养殖所产生的残饵和粪便等污染物可以更快地被稀释和扩散，对养殖区水环境及底质环境的影响较小，因此具有更广阔的发展空间。近年，国家相关部门制定了限制近海网箱养殖、扶持深海网箱养殖的政策，鼓励拓展养殖海域、减轻环境压力、调节海洋养殖品种结构。深水网箱养殖在国内外都发展迅速，正在快速取代近岸传统的木质小型网箱养殖，是国内外未来海水养殖的发展方向[3]。

深水网箱的饵料种类、投饵方式、投饲频率等均不同于近岸传统木质网箱，所产生的环境影响也不同，所以在近岸传统的网箱环境影响研究所取得的结果不适用于深水网箱[4]。此外，深水网箱的水环境及底质环境与养殖区所在水域的水文环境特征直接相关。网箱养殖的生物沉积物在海底分解，所再生的氮、磷营养元素，在浅水区域经过水体混合作用可以直接影响水体水环境，而在深水区域由于水体的层化，底部的氮、磷物质则无法扩散到上层水体中，针对深水网箱的养殖模式和环境特征开展针对性的研究，弄清深水网箱养殖的环境效应是怎样的，关键的控制因素有哪些，所得结果有助于实现深水网箱养殖与自然水域生态系统承载力之间的平衡，达到产业发展与环境保护并举的高度协调。

离岸网箱，也称深水网箱，是一种低污染的海洋养殖技术，挪威自19 世纪60 年代以来就一直致力于深海网箱养殖研究。在挪威目前已超过5 000只HDPE 网箱，它们可以安装在水深超过15 m 的开放或半开放海域，比近岸普通网箱离海岸更远，深度更深，也更具有潜力[1]；美国在1980 年开发出了锚拉式、遥控网箱以及碟形网箱，而日本则研制出了可以上下调节的超大型深水网箱，瑞典则研制出了一种抗风浪能力更强、稳定性更好、成本更低的牧海型深水网箱，这些技术的发展为世界各地的渔业提供了新的活力。通过引入国外先进的深水网箱养殖技术，我们可以大幅提高养殖面积，增强抗风浪能力，从而实现更高的效益[2]。1998年，我国开始研发深水网箱，海南省率先从挪威引入了高密度聚丙烯（HDPE）圆形双浮管重力式深水网箱[3]。2001 年，浙江省采用美国公司提供的碟形网箱，增加产能，而2002年，中国也开始采用升降式网箱，以满足当地的需求。随着HDPE重力式网箱技术的飞速发展和广泛应用，使得我国深水网箱养殖的规模迅速扩张，使之成为一个重要养殖模式。截至2020年底，深水网箱养殖总水体达3 821.39 万m3，比2019 年增长了97.40%[4]，养殖鱼类产量也大幅提升，达293 120 t，深水网箱养殖对促进中国水产养殖的发展起到了重要作用。

中国深水网箱的结构形式多样，包括浮式、浮绳式、金属框架式等，为养殖物种提供了更加安全、舒适的生态环境[5-7]。石建高等起草了一系列水深网箱通用规定标准，为国内水深网箱的概念、界定和标准提供了明确的标准，促进了水深网箱的标准化。目前，中国应用最广泛的深水网箱有以下3种。

1）浮式网箱。深水网箱中，浮式网箱是最为普遍的类型，它们的框架可以漂浮在水面上，而HDPE框架则是我国应用最为广泛的一种。HDPE框架深海网箱由框架、网衣、锚泊以及配重等多个部件组成，可以有效地提高网箱的稳定性和安全性。网箱采用配重系统、张网架等先进设备，可以有效地控制网衣的紧松程度，以确保养殖水体体积的稳定性，方便管理，提升养殖效率。由HDPE管材制成的HDPE框架深水网箱具有结构紧凑、强度高、耐腐蚀性强、材料价格实惠、抗海浪功能强等优点，是一种理想的深水网箱材，因此在全球范围内获得了广泛应用，尤其是美国、挪威、澳大利亚等发达国家，浮式网箱已经成为海水养殖的首选。然而，为了维持养殖水体体积，提高配重体系的重量易造成网衣破损，因而，它们的应用受到了海区流速的限制。

2）浮绳式网箱。日本发明的浮绳式网箱，由柔性骨架、箱体网衣、浮子和锚泊控制系统构成，这些结构的组合使得它们能够在海洋中安全地漂浮，并且已经被广泛应用于世界各地。网箱具备柔性结构，能够在海浪影响下随波漂移，进而有效缓解大海浪造成的撞击力，使其能够更好地抵抗恶劣天气的影响。为了防止养殖鱼类的逃离，浮绳式网箱通常配备有防逃网。可以利用固定物如木料，将数个同样尺寸的网箱组合在一起，并在网箱集合群的外围使用浮子来提供足够的浮力。这样可以有效地防止海水淹没网箱边缘。石建高研究员的项目组联手三沙美济水产开发公司等企业，成功开发出了一种新型的浮绳式网箱，它具有制作简易、成本低廉、投饲容易等优点，但是在遭遇大风浪时，由于箱体网衣容易扭曲，容易导致鱼类的死亡，所以，浮绳式网箱只能在海浪较小的水域中使用。这项技术的产业化应用，已经成功地实现了金枪鱼苗的暂养，为海洋生态环境的改善提供了有力的保障。

3）金属框架网箱。金属框架网箱主体是一种由金属材料为主的复合结构，它包括框架、网衣、浮筒以及锚泊系统，可以有效地支撑起整个网箱，具有稳定性和安全性。金属网箱通常安装盖网，为了提升网箱箱体的稳定性，除了采用金属框架之外，还可以选择锌铝合金、铜锌合金等网衣，这些网衣可以抵抗海浪的冲击，让网箱箱体变得更加牢固可靠。当金属网箱锚泊时，可以将多个网箱组合在一起，形成一个完整的结构，这样不仅可以使网箱变得更大、更稳定，而且成本也更低廉。人们可以根据生产需求自由调整网箱的数量，轻松解开一组金属网箱的连接绳索即可，操作简单便捷。金属框架网箱的研发和应用已经得到了大连天正实业有限公司、三沙美济渔业发展有限公司、中国水产科学研究院东海水产研究所等单位的积极推动，为海水养殖做出了重要贡献。

1）溶解氧(dissolved oxygen)。溶解氧是水体中生物生存和发展的重要因素。当水体溶解氧充分时，有利于生物的生长。若水体中的溶解氧含量不足，厌氧菌将迅猛增长，从而使得水质急剧下降。特别是在小于4 mg/L 的情况下，鱼类可能会出现呼吸困难，甚至死亡。这表明，水体的溶解氧含量是影响水产养殖的一个重要指标。甘居利等[8]研究发现，大鹏奥网箱养殖海域，对照区溶解氧质量浓度（总平均值6.82 mg/L）显著高于网箱区（总平均值5.89 mg/L），且溶解氧浓度随着与网箱的距离增加而上升。而金卫红等[9]对青山深水网箱养殖区研究发现，对照区与养殖区溶解氧值均在8.08～8.23 mg/L，无明显差异且远大于临界值（4 mg/L）。可见深水网箱养殖对于海域溶解氧含量影响较小。

2）碳、氮、磷（C、N、P）。网箱养殖向周围海域所排放的营养物质主要为 C，N，P 等元素。通常，C元素不是海洋生态系统生长的限制因素，网箱养殖向周围海域排放878～952 kg C 才能生产1 t 鱼，排放量约占总输入量的3/4。然而，这些C需要消耗一定量的溶解氧才能被细菌分解，当溶解氧浓度低于临界值（4 mg/L）时，将会影响动植物的成长[7]。N和P 是生命体发育所必需的元素，但也是海湾生态系中营养过剩的关键因素。经过统计，每养殖1 t鱼类，就有161 kg 氮和32 kg 磷被排放到自然环境中并造成污染。在当前的养殖模式下，养殖鱼类只能吸收饵料15%～30%的N 和10%～15%的P，而养殖所产生的N 元素中，接近30%的N 会沉淀到网箱底部，大约50%的N 则会随水动力交换向四周海域扩散；接近50%的P 会沉淀到网箱底部，35%～40%的P 则会随水动力交换向四周海域扩散[8]。尽管海水养殖中，鱼类的产量仅占四分之一，但是排放的污染物的占比却是很高。通过使用外部投饵，海水鱼类网箱养殖能够获得较高的产量。沿海海湾是传统网箱主要分布的海域，其优点是风浪相对较小，缺点是水动力条件相对较弱。传统网箱养殖向环境输入大量的 C、N、P 等营养物质是养殖活动所产生的残余饵料以及鱼类排泄物等物质，这种情况很容易导致海水中营养物质的过量积累，从而造成海水富营养化和破坏底栖生态系统。有研究显示，水质的富营养化是近岸海域赤潮频频出现的主要原因之一，而导致水质富营养化主要原因就是网箱养殖。且网箱养殖形成的颗粒状营养元素沉淀到底泥，会导致网箱底质中的C、N、P 等成分显著增加[9]。周边水体有机物的沉积速率仅为传统网箱底部的三分之一，但每年仅10%的有机污染物被自然分解。因为有机污染物累积，会消耗大量的溶解氧，有害物极易在这类长期缺氧环境中产生，如硫化氢、氨和甲烷等，严重危害到养殖鱼类以及一些底栖生物的健康[9]。相比之下，深水网箱养殖则更加符合生态环境，它们通常被设置在离海岸更远的深水海域，水动力条件较好，利于有机污染物的稀释和扩散[4]。

氮是生命的基础，对于所有生命来说氮至关重要，海洋生态系统中，它扮演着至关重要的角色。按照氮在水域中的出现形式，可以将它划分为溶解性氮和固体氮2类；而按照溶解氮的化学性质，又可将其分为无机氮，如氨氮、亚硝氮和硝氮；有机氮，如尿素和游离氨基酸。此外，氮的不同形态可以相互转化。适当的氮投入可以显著提升饲养区的初始生产力和生物多样性，从而达到“施肥”的目标[10]。然而，如果无机氮的溶解量超出正常范围，就可能造成水体的富营养化，并增加藻华发生的风险，而过度的非离子氨也会对海洋生物造成毒害。适量的磷元素可以提高初级生产力，但是如果过量摄入，水域会变得富营养化，导致藻类增殖加速，溶解氧消耗增多，导致水环境失衡。此外，藻类所产生的腐植酸等物质会释放出有毒有害物质，进一步恶化水域的环境。在水域生态体系中，磷以颗粒和水溶态两类形态出现，而生命体通常只使用水溶态的磷酸盐。梁庆洋[10]在大亚湾深水网箱养殖研究中发现，深水网箱养殖每立方米水体年养殖产量约是传统网箱养殖的1.6 倍，然而深水网箱养殖的N和P输入通量比较低，因此在总产量不变的前提下，如果深水网箱代替传统网箱，N 净输入量可降低57%，P 净输入量可降低58%。由此可见深水网箱养殖充分利用了自身有效体积大、深水海域水动力强、海水自净化能力强等优点，深水网箱养殖是一类低营养负载的可持续发展产业。

3）悬浮颗粒物（total suspended particulate matter）。悬浮颗粒物是海洋生态体系中不可或缺的组成部分，它们包含浮游植物、浮游动物及其碎屑和多种无机微粒等，是水体中营养盐的重要媒介[11-12]，也是海洋沉积物的来源。悬浮颗粒物的存在会干扰水体的透光性和真光层的厚度，进而干扰浮游植物的光合作用和初级生产力，因此，悬浮颗粒物的存在将对海洋生态系统具有重大意义。舒廷飞等研究发现舟山长峙岛网箱养殖区悬浮颗粒浓度平均值大于对照区，且悬浮颗粒物浓度与网箱养殖区的距离成反比[13]。梁庆洋[10]研究发现，在大亚湾深水网箱养殖海域，表层和底层海水的悬浮颗粒物浓度无显著差异，而且在养殖区和对照区也无显著差异。由此可见，深水网箱养殖在水平空间上对悬浮颗粒物浓度无显著影响。

4）叶绿素a（chlorophyll-a）。叶绿素a 是水域中重要的营养物质，它不仅反映了水域的初级生产力和富营养化水平，而且还是水环境质量的主要指标。因此，检测水域中叶绿素a 浓度才能更好地反应环境状态，从而更好地保护水域的健康。潘翠红等[14]研究拓林湾发现，近岸网箱养殖区叶绿素a 的平均质量浓度到达富营养化标准（叶绿素a＞10 μg/L），非养殖区平均浓度远低于养殖区且未到达富营养化标准。梁庆洋[10]研究发现，在大亚湾深水网箱养殖区叶绿素a 浓度略高于对照区，但仍低于富营养化标准。因此，深水网箱养殖对叶绿素a 在水平空间上的影响要小于近岸网箱养殖。

1）表层沉积物总有机碳、总氮、总磷（total organic carbon，total nitrogen，total phosphorus）。研究表层沉积物中的总有机碳、总氮和总磷是了解海洋底质环境的重要指标。通过对这些指标的含量和分布规律进行研究，可以更好地了解海洋的初级生产力、有机物的来源和污染状况。有研究发现湛江流沙湾网箱养殖表层沉积物总有机碳、总氮、总磷的单因子污染指数在水平空间上整体呈现养殖区＞外围区＞对照区，并且对照区表层沉积物质量处于轻度污染状态，养殖区表层沉积物质量已达到中等程度污染水平。梁庆洋[10]研究发现，在大亚湾深水网箱养殖在水平扩散上，表层沉积物的总有机碳、总氮、总磷占比量均随扩散距离增大差异不显著，且各区域表层沉积物质量均处于轻度污染状态。可见，深水网箱养殖对于表层沉积物总有机碳、总氮、总磷的占比量无明显影响。

2）表层沉积物主要重金属（Cu、Zn、Cd、Pb）。表层沉积物中的重金属元素通过有机质降解、氧化还原反应、再悬浮等过程可重新进入水体，对水生生物产生较大危害。卢欣[15]研究发现，定海-黄岐湾网箱养殖对表层沉积物金属Cu、Zn、Cd、Pb 含量有明显增加，在对照区，生态风险水平较低，而在养殖区，生态风险水平则较高；文莱深水网箱养殖海域表层沉积物中的重金属含量变动不大，处于轻微生态风险。由此推出，深水网箱养殖对表层沉积物重金属Cu、Zn、Cd、Pb含量无显著影响，通过生态危害指数得出深水网箱养殖对生态风险并无显著影响。

深水网箱养殖尽管在养殖海域和非养殖海域的水质和底质指标相差不大，但仍有一定差异，因此，我们应该高度重视深水网箱养殖所带来的自身污染问题，以确保水质和底质的持续稳定。随着水深网箱养殖的开发，为了维护海域自然环境，须制定相应对策，及早对养殖海域的自然环境情况开展监控评估，研发行之有效的海域生态环保方法，以及处理深水网箱养殖自身污染引起的自然环境改变情况，以确保养殖鱼类的质量良好的同时，也需维护养殖生态环境的健康，以免重蹈近岸、内湾饲养灾难之覆辙。通过对深水网箱养殖水质和底质的理化因子、营养盐含量和表层沉积物质量状态、生态风险状态等数据开展实时监测，探讨饲料质量、投喂总量、鱼类产卵及逃逸现象对环境生态效益的影响，探讨养殖密度、种类、自净能力、流速与自然环境生态的联系，以及深水网箱养殖对自然环境的动态效应，以期更好地维护和改善海洋生态系统，实现可持续性。如何科学地处理沿岸海洋经济发展与海洋生态环境保护之间的联系，可以为深水网箱养殖业的可持续性提出很关键的参考依据。

近岸网箱养殖兼具集约化和高密度的优点，但长时间高密度养殖也造成了一些环境问题，例如近海岸线的过度开发、渔场资源的减少、网箱网衣的污染、水体交换能力的下降、海域养殖自然环境的恶化和养殖虫害的暴发。这使得养殖效率显著低于国际水平，这极大阻碍了我国近海渔业资源的绿色可持续发展[2]。深水网箱在水动力作用和自净化能力更强的深水区域养殖，养殖所产生的残饵和粪便等污染物可以更快地被稀释和扩散，对养殖区水环境的影响较小，因此具有更广阔的发展空间，在国内外都发展迅速，正在快速取代近岸传统的木质小型网箱，是国内外未来海水养殖的发展方向。

近几十年来，深水网箱养殖在沿海地区得到迅速推广，截至2007 年底，全国的深水网箱约有3 800只，通过4个“五年计划”（2001－2020）的高速发展，深水网箱养殖离海岸越来越远，养殖海域越来越深、越来越广，最远的水位深度已超过40 m，最大的网箱直径已接近40 m，深水网箱总数量已是2007年的数倍[4]。根据《中国渔业统计年鉴2016》，我国深水网箱养殖在2015 年全部的海水养殖模式中总产量增长幅度最大，与2014年相比较增加了接近五分之一，比传统网箱养殖增加了13%。深水网箱构造牢固，可抵挡11～12级强台风，5～6 m高的海浪，且拥有15 年以上的使用寿命；深水网箱有效体积大，养殖鱼类有充足的活动空间，成品鱼个头大且口感好。研究表明，与野生大黄鱼相比较，深水网箱养殖的大黄鱼的肌肉组织中天冬氨酸和谷氨酸含量高出14.8%，口感更加细腻；除此之外，深水网箱养殖的饵料系数较低，在降低饵料成本的同时有效地减少养殖过程中的残饵，进而减少有机污染物产生，从而减少污染。

由于全球污染日益严重，岸线资源日趋紧缺，深水网箱养殖成为一种可持续发展的新兴水产养殖模式，它具备科技领先、环保安全、成鱼质量高等级优势，为推动水产养殖绿色发展提供了重要的技术支撑。

20 世纪80 年代以来，由于出现了世界范围内的捕捞过度和环境污染等问题，渔业资源出现了严重衰退。为此，将渔业产业的重点由传统的狩猎式捕捞渔业转向放牧式的增养殖渔业，尤其是避开近海内湾的易污染环境，转向外海去发展高经济价值鱼类的深水网箱养殖业，已成为世界各国的共识。

深水网箱养殖对水环境及表层沉积环境的影响远小于近岸网箱养殖，深水网箱养殖利用远海强大的水动力，以及更强的自净化能力，降低养殖活动对环境的污染。深水网箱水体大，更接近于自然环境，鱼类活动范围广、成活率高，在深水环境中，鱼类生长快、病害少，体形和肉质也更接近野生状态。采用深水网箱养殖不仅可以减轻环境压力，还可提高养殖品种的产量和品质，特别是在抗台风和恶劣海况方面，深水网箱具有显著优势。同时深水网箱养殖作为一种产业，对缓解当前海洋渔业资源衰退，带动网箱制作、苗种培育、饵料生产、加工保鲜、销售运输等相关产业，减少因200海里专属经济区渔场划界造成的损失等负面影响以及对捕捞渔民的转产、养殖渔民增等收都具有积极的作用和重要的意义。

深水网箱养殖是目前科技含量较高的海水鱼类养殖方式，与传统小网箱相比，集约化程度高、养殖密度大，网箱养殖鱼的食物来源更加丰富，鱼类生长速度快，肉质好，品质天然。同时，海水具有一定的流速，鱼类的排泄物也会很快被海水带走，因而，与传统网箱相比，深水网箱养殖鱼类病害较少。诸多优势使得深水网箱的养殖产品质量上乘，养殖经济效益显著。