王海姮,侯昊晨,劉 鷹,3
( 1.大連海洋大學(xué),設(shè)施漁業(yè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116023; 2.大連海洋大學(xué) 海洋科技與環(huán)境學(xué)院,遼寧 大連 116023; 3.浙江大學(xué) 生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院,浙江 杭州 310058 )
循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)是一種環(huán)境友好、水資源高效利用及養(yǎng)殖產(chǎn)量高的集約化養(yǎng)殖模式,由流水式水產(chǎn)養(yǎng)殖逐漸演化而來(lái)。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的發(fā)展可追溯到20世紀(jì)60年代,較為典型的有日本生物包靜水養(yǎng)殖系統(tǒng)(以礫石為載體)和歐洲組裝式多級(jí)靜水養(yǎng)殖系統(tǒng)[1-2]。我國(guó)陸基工廠化養(yǎng)殖從最初的苗種培育轉(zhuǎn)變?yōu)樗a(chǎn)養(yǎng)殖、倉(cāng)儲(chǔ)、吊水等多種功能[3-5],養(yǎng)殖技術(shù)水平也不斷提高。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)通過(guò)物理化學(xué)處理技術(shù)[6-8]保持良好的水質(zhì),實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖用水的循環(huán)使用,具有節(jié)約養(yǎng)殖用水及節(jié)省養(yǎng)殖用地的優(yōu)點(diǎn)[9-11]。此外,循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)也是唯一能夠?qū)崿F(xiàn)安全、無(wú)化學(xué)品和重金屬殘留的綠色養(yǎng)殖模式[12-14],在水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮重要的作用,同時(shí)也符合當(dāng)前我國(guó)提出的水產(chǎn)養(yǎng)殖綠色發(fā)展、循環(huán)經(jīng)濟(jì)及低碳減排的戰(zhàn)略需求[15]。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)具備良好的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益,全面系統(tǒng)地研究其設(shè)計(jì)、研發(fā)、改進(jìn)及與養(yǎng)殖魚(yú)種的互作機(jī)制已成為當(dāng)前水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)、水利工程、環(huán)境科學(xué)與工程等多學(xué)科交叉研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。因此,筆者對(duì)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)研究的發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量、主要文獻(xiàn)類型、作者關(guān)聯(lián)統(tǒng)計(jì)、出版機(jī)構(gòu)的分布特征等方面做了總結(jié)歸納,有助于明確該領(lǐng)域中有影響力的作者、期刊、投稿機(jī)構(gòu)及各學(xué)科的貢獻(xiàn)等內(nèi)容,討論和分析循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)研究應(yīng)用領(lǐng)域未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向,以此為基礎(chǔ)預(yù)測(cè)和探討未來(lái)其研究發(fā)展趨勢(shì),為循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用提供重要的參考。
循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)文獻(xiàn)數(shù)量的年度變化情況能夠在一定程度上反映不同時(shí)間循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)相關(guān)研究的發(fā)展水平。筆者分析了1991年1月1日至2020年12月31日在Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)中收錄的與循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)相關(guān)的1432篇出版文獻(xiàn)。從文獻(xiàn)數(shù)量的趨勢(shì)上看,30年間文獻(xiàn)發(fā)表量總體呈上升趨勢(shì)。自2000年開(kāi)始循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的相關(guān)出版論文呈逐步增加的態(tài)勢(shì)。2016年文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量最多(共有111篇文獻(xiàn))。文獻(xiàn)分析數(shù)據(jù)表明,循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)備的創(chuàng)新研發(fā)成為重點(diǎn)研究方向[16-17]。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)相關(guān)文獻(xiàn)所屬學(xué)科主要包括漁業(yè)[18-19]、環(huán)境科學(xué)與生態(tài)學(xué)[20-21]、工程技術(shù)[22-23]、環(huán)境科學(xué)[24-25]等。其中漁業(yè)學(xué)科文獻(xiàn)最多,共發(fā)表769篇,占文獻(xiàn)總數(shù)的53.70%?!禔quacultural Engineering》與《Aquaculture》是發(fā)表循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)文獻(xiàn)數(shù)量較多的期刊,分別發(fā)表了290篇和233篇,占文獻(xiàn)總數(shù)的20.25%和16.27%。期刊的影響力有效助推了循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)研究成果的發(fā)表。根據(jù)研究者發(fā)文量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果,國(guó)內(nèi)外發(fā)表循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)論文前列的作者分別是劉鷹、Pedersen L F、Pedersen P B等專家。發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量排名前三位的國(guó)家為中國(guó)、美國(guó)及德國(guó),共發(fā)表文獻(xiàn)714篇,占文獻(xiàn)總數(shù)49.86%。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),共有50個(gè)以上的研究機(jī)構(gòu)發(fā)表了與循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)相關(guān)研究的文獻(xiàn),發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量前10位的研究機(jī)構(gòu)中,分別有4個(gè)研究機(jī)構(gòu)來(lái)自中國(guó),3個(gè)來(lái)自歐洲,3個(gè)來(lái)自美國(guó)。其中,中國(guó)科學(xué)院發(fā)表文獻(xiàn)64篇,成為發(fā)表文章最多的科研工作機(jī)構(gòu),其次是丹麥科技大學(xué)發(fā)表文獻(xiàn)51篇和荷蘭瓦格寧根大學(xué)發(fā)表文獻(xiàn)46篇。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明了上述國(guó)家對(duì)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的重視程度。
面向相關(guān)參考文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析,可以在海量被引參考文獻(xiàn)中高效便捷地定位出循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)、研究前沿及其關(guān)鍵熱點(diǎn)的變化。為了探究循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)研究論文中被引用文獻(xiàn)之間的關(guān)系,從時(shí)間維度定量分析循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)研究熱點(diǎn)的變化。筆者將1991年1月1日至2020年12月31日Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)中收錄的1432篇出版文獻(xiàn)進(jìn)行對(duì)比,并對(duì)共同被引用的參考文獻(xiàn)進(jìn)行VOSviewer分析。分析結(jié)果顯示:從1991年開(kāi)始循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)研究熱點(diǎn)主要集中在“循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)水處理工藝”[26-28]、“硝化”[29-31]及“氨氮”[32-33]問(wèn)題上;到2000年后,循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)研究熱點(diǎn)主要集中于“養(yǎng)殖密度”[34-36]、“病害預(yù)防”[37-38]及“魚(yú)類健康”[39-40]等關(guān)鍵詞;之后隨著對(duì)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的進(jìn)一步研究,以及系統(tǒng)設(shè)備的研發(fā)與升級(jí),學(xué)者們意識(shí)到深入研究智能化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的重要性,研究熱點(diǎn)集中在“可持續(xù)水產(chǎn)養(yǎng)殖”[41-43]、“智能化”[44-46]及“能源消耗”[47-48]等關(guān)鍵詞,相關(guān)的研究論文顯著增加。
隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展,近岸海域被過(guò)度開(kāi)發(fā),導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題嚴(yán)峻[49],赤潮、水華等環(huán)境災(zāi)害頻繁發(fā)生,水產(chǎn)養(yǎng)殖聚集區(qū)成為了水體污染的源頭,大量殘餌糞便及養(yǎng)殖污水的排放嚴(yán)重影響了水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)及生態(tài)環(huán)境[50]。因此,循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的環(huán)境、生態(tài)、技術(shù)等方向的研究引起了眾多研究人員的關(guān)注。
在水產(chǎn)養(yǎng)殖中,傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖方式會(huì)產(chǎn)生含有大量懸浮物、總氮和總磷等化合物以及亞硝態(tài)氮、細(xì)菌和二氧化碳等有害物質(zhì),嚴(yán)重影響了水產(chǎn)品的質(zhì)量,會(huì)對(duì)魚(yú)類健康、養(yǎng)殖水質(zhì)產(chǎn)生不利影響,如直接損害魚(yú)鰓、阻塞生物過(guò)濾器、產(chǎn)生氨氮等問(wèn)題[51-52]。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)可以安全有效地管理、收集和處理魚(yú)類生長(zhǎng)過(guò)程中積累的固體廢液,通過(guò)固體沉淀、增氧曝氣或氧化添加、好氧生物濾池的硝化作用,把氨氮主要轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮,高含量硝態(tài)氮可以通過(guò)反硝化作用來(lái)抵消[53-54]。隨著循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)水處理工藝技術(shù)的不斷創(chuàng)新研發(fā),反硝化反應(yīng)器、污泥濃縮和臭氧處理等技術(shù)的發(fā)展,使循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)更進(jìn)一步地減少了養(yǎng)殖用水量、固廢排放量和能源消耗量[55-58]。目前,開(kāi)發(fā)了較多不同類型的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)固體廢液去除設(shè)備,如渦旋分離器、懸浮物過(guò)濾器、泡沫分離器以及溫度控制系統(tǒng)等多種新型設(shè)施設(shè)備[59-60],能夠使有機(jī)物和懸浮物的去除率達(dá)到85%~98%,磷的去除率達(dá)到65%~96%[61-62]。Lindholm-Lehto等[63]采用木屑反硝化和慢砂過(guò)濾技術(shù)實(shí)現(xiàn)了循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的高效水處理,結(jié)果表明這種水處理工藝設(shè)計(jì)適用于優(yōu)質(zhì)魚(yú)類的安全生產(chǎn)。Tanikawa等[64]運(yùn)用下流懸掛海綿反應(yīng)器進(jìn)行單級(jí)硝化-反硝化的封閉式養(yǎng)殖系統(tǒng)出水處理。該反應(yīng)器提供了單級(jí)硝化-反硝化作用,并與水培床相結(jié)合,提供了低成本、高性能的水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理系統(tǒng),能夠應(yīng)用于產(chǎn)品的安全生產(chǎn)。Xiao等[65]綜述了循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)水處理工藝設(shè)備的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),評(píng)價(jià)了水處理設(shè)備對(duì)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的重要性,指出了水處理設(shè)備是循環(huán)水系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟。Calderini等[66]研究了循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)廢水的過(guò)濾對(duì)微藻生長(zhǎng)、營(yíng)養(yǎng)去除和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的影響,結(jié)果表明,通過(guò)對(duì)微藻種類的選擇,循環(huán)水養(yǎng)殖廢水可以進(jìn)一步用于生產(chǎn)高質(zhì)量的微藻生物,如水產(chǎn)養(yǎng)殖飼料,而不需要去除水中的污染物和懸浮物。其他研究顯示,在封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中可以有效防止病菌在野生種群和養(yǎng)殖動(dòng)物之間傳播,并避免了來(lái)自沿海污染水域的富營(yíng)養(yǎng)物[67-68]。此外,排放的固體廢液更為集中,有利于把固體廢液作為肥料或在完全封閉的系統(tǒng)中再回收利用,循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的創(chuàng)新發(fā)展讓環(huán)境更具可持續(xù)性。
養(yǎng)殖密度超過(guò)臨界閾值可能導(dǎo)致密度與魚(yú)類產(chǎn)量之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[69]。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)可提供魚(yú)類高密度養(yǎng)殖,但不適當(dāng)?shù)母唣B(yǎng)殖密度會(huì)產(chǎn)生大量的殘留飼料、糞便等物質(zhì),進(jìn)而產(chǎn)生氨氮、亞硝態(tài)氮等有害物質(zhì)并滋生大量細(xì)菌,導(dǎo)致寄生蟲(chóng)病的暴發(fā),嚴(yán)重影響魚(yú)類的生存[70]。隨著世界人口的增長(zhǎng)及人均魚(yú)類消費(fèi)量的增加,循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)不僅要生產(chǎn)高產(chǎn)量、高質(zhì)量的綠色水產(chǎn)品[71],而且必須應(yīng)對(duì)地理位置、水資源可用性等環(huán)境影響等因素的限制,在半封閉或全封閉的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中,開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)可行的,能對(duì)水產(chǎn)品高密度養(yǎng)殖全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)管和控制的病害預(yù)防體系,使養(yǎng)殖品種在最佳的環(huán)境下獲得最快的生長(zhǎng)[72-73]。
王峰等[74]研究了工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式下,養(yǎng)殖密度對(duì)半滑舌鰨(Cynoglossussemilaevis)成魚(yú)生長(zhǎng)和肌肉營(yíng)養(yǎng)成分的影響,半滑舌鰨在循環(huán)水養(yǎng)殖模式下具有很好的適應(yīng)性,其生長(zhǎng)及營(yíng)養(yǎng)成分均處于較好的狀態(tài),可以極大地發(fā)掘半滑舌鰨的養(yǎng)殖潛力,因此,工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖是適合半滑舌鰨集約化養(yǎng)殖的1種優(yōu)勢(shì)養(yǎng)殖模式。Riche等[75]在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中分析3種不同養(yǎng)殖密度對(duì)軍曹魚(yú)(Rachycentroncanadum)生長(zhǎng)特性和個(gè)體組成的影響,研究表明,飼養(yǎng)密度≤30 kg/m3,飼養(yǎng)的軍曹魚(yú)終末體質(zhì)量超過(guò)2 kg,對(duì)生產(chǎn)無(wú)不利影響。齊巨龍等[76]利用循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)對(duì)鰻鱺(Anguillajaponica)進(jìn)行高密度養(yǎng)殖試驗(yàn),結(jié)果顯示,平均體質(zhì)量為55.6 g的鰻鱺在培養(yǎng)159 d后,10 522尾鰻鱺的成活率為99.7%,總質(zhì)量由584.6 kg增至1478.0 kg,飼養(yǎng)密度由13.0 kg/m3提高至32.8 kg/m3。任華等[77]發(fā)現(xiàn),循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中雜交鱘(Acipenserbaerii♀×A.schrenckii♂)仔魚(yú)的終末體質(zhì)量、特定生長(zhǎng)率、質(zhì)量日增加均隨飼養(yǎng)密度的增大而升高。有學(xué)者開(kāi)展了封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中養(yǎng)殖密度對(duì)水生動(dòng)物的生長(zhǎng)和生存的影響分析,認(rèn)為在不降低存活率正常生長(zhǎng)的前提下,可以提高飼養(yǎng)密度[78-80]。
循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)目的是盡量減少水資源消耗,控制養(yǎng)殖條件,并使固體廢液得到充分管理。可持續(xù)水產(chǎn)養(yǎng)殖的目標(biāo)是使用對(duì)生態(tài)影響最小的生產(chǎn)系統(tǒng)時(shí),既能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)食物又能維護(hù)自然資源。因此,循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)水產(chǎn)養(yǎng)殖目標(biāo)的重要抓手。當(dāng)前我國(guó)循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)逐漸成熟,但在大流量下循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的網(wǎng)格化、智能化、信息化控制技術(shù)及再循環(huán)設(shè)備功能仍有待改進(jìn)[86]?,F(xiàn)代循環(huán)水設(shè)備能耗高、運(yùn)營(yíng)成本高,迫切需要開(kāi)發(fā)低碳環(huán)保能源供應(yīng)策略及智能優(yōu)化控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)清潔能源的使用及設(shè)備運(yùn)行的最優(yōu)控制[87]來(lái)降低能耗及成本。
Steicke等[88]對(duì)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)現(xiàn)有產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)行深入研究和開(kāi)發(fā),適應(yīng)發(fā)展中的新趨勢(shì)和新需求,以自動(dòng)化和數(shù)字化技術(shù)為手段開(kāi)展養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控,進(jìn)一步提高循環(huán)水設(shè)備的智能化控制和資源利用效率,降低生產(chǎn)成本,逐步實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化養(yǎng)殖。為了實(shí)現(xiàn)“零排放”的目標(biāo),需要加大地?zé)崮?、太?yáng)能、潮汐能等綠色能源的開(kāi)發(fā)和利用[89-91]。目前,循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)使用最廣泛的國(guó)家正在開(kāi)展生態(tài)工程、循環(huán)水養(yǎng)殖設(shè)備、循環(huán)水養(yǎng)殖效率的研究,相應(yīng)的設(shè)備機(jī)械化、信息技術(shù)和設(shè)施是研究的重點(diǎn)目標(biāo)。通過(guò)改進(jìn)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)資源利用,水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)正朝著標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化、智能化、集約化的生態(tài)效益發(fā)展。綜上所述,自動(dòng)化、智能化、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)境保護(hù)是未來(lái)水產(chǎn)養(yǎng)殖發(fā)展的主導(dǎo)因素[92],開(kāi)發(fā)高效、低能耗、占地小、低投資的系統(tǒng)已成為循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)研究的重點(diǎn)方向。
循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)可全年在各個(gè)地方進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖,且不受季節(jié)性和環(huán)境變量的影響,有較高的生物安全級(jí)別,可保持良好的水質(zhì),有效降低疾病暴發(fā)及寄生蟲(chóng)感染的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)[93-94]。但循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)初始投資高、系統(tǒng)工程復(fù)雜、運(yùn)轉(zhuǎn)成本高昂,大多數(shù)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)在發(fā)達(dá)國(guó)家中運(yùn)行,尚未在發(fā)展中國(guó)家廣泛應(yīng)用,所以需要對(duì)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行創(chuàng)新研究,開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、有彈性、更低成本和更節(jié)能的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)。在我國(guó)國(guó)家政策的大力支持下,進(jìn)一步加快推動(dòng)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的低能耗、低成本、智能化研發(fā)成為未來(lái)發(fā)展的方向。首先,循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的資源能源消耗和溫室氣體排放是需要關(guān)注的主要問(wèn)題之一。未來(lái)我國(guó)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)充分結(jié)合經(jīng)濟(jì)環(huán)境績(jī)效生命周期系統(tǒng)評(píng)估,根據(jù)評(píng)估結(jié)果制定有針對(duì)性的改進(jìn)措施,實(shí)現(xiàn)環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益的協(xié)調(diào)發(fā)展。其次,積極開(kāi)展循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)推廣,使循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)在水產(chǎn)品苗種繁育、暫養(yǎng)、倉(cāng)儲(chǔ)、凈化等新興領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用;促進(jìn)魚(yú)類產(chǎn)品的疫苗在循環(huán)水養(yǎng)殖生產(chǎn)中得到應(yīng)用,在病害預(yù)防管理中發(fā)揮重要作用。再次,從宏觀角度分析,未來(lái)的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)構(gòu)建應(yīng)重點(diǎn)布局淡水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)及新興養(yǎng)殖品種,利用社會(huì)非農(nóng)資本加速構(gòu)建現(xiàn)代化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)及智慧漁業(yè),從而有效推動(dòng)我國(guó)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)向更高更好水平發(fā)展。